Elektrische Energieversorgung Wichtiges Grundwissen für den Lehramtsstudierenden der Haupt- und Realschule Foto: Christian Weiss Universität Augsburg.

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1 Elektrische Energieversorgung Wichtiges Grundwissen für den Lehramtsstudierenden der Haupt- und Realschule Foto: Christian Weiss Universität Augsburg Didaktik der Physik

2 Elektronenstrom und Energiestrom
Ladungen übertragen Energie von der Stromquelle zum Verbraucher: Zufuhr von nicht elektrischer Energie Abgabe von nicht elektrischer Energie elektrische Energie wird übertragen z. B. chemische Energie mechanische Energie Strahlungsenergie z. B. thermische Energie mechanische Energie Strahlungsenergie Quelle: Natur und Technik Physik 10/I (Realschule Bayern); Cornelsen Verlag, Berlin; 2004; S. 36 Im Gegensatz zu den Ladungsträgern fließt die el. Energie nicht im Kreislauf.

3 Elektronenstrom und Energiestrom
„Energie steckt in der Spannungsquelle“ Spannung U = ∆E Energieunterschied Q = I ∙ t U = = transportierte Energie E = U · I ∙ t = Wel elektrische Arbeit Wel = Pel ∙ t Pel =

4 Leitungsverlust im realen Stromkreis
Bewegung erfordert Arbeit: R = U / I W = U · I · t mit U = R ∙ I folgt: W = R ∙ I ∙ I ∙ t = R · I2 · t = Arbeit zur Überwindung des Widerstands Grafik: Lizenzfrei aus

5 Leitungsverlust im realen Stromkreis
Gesamtenergiedurchsatz im Stromkreis: mit W = R · I2 · t ist: E = Woben ∆ELampe Wunten = Roben · I2 · t PL ∙ t Runten · I2 · t mit P = E/t ist: P = Roben · I PL Runten · I2 =(Ro + Ru) · I2+ PL P = PV + PL Bsp.: Elektrorasenmäher U = 230V PR = 1150W RKabeltrommel ≈ 2 ∙ 0,0112 Ω/m Leitungslänge: Widerstand: Verlustleistung: I = 5A 50m: R = 1,12 Ω PV = W Uni – Impulsarena: (ca. 2 km) R = 45 Ω PV = W

6 Hochspannungsübertragung
Reduktion der Verluste durch Verringerung der Stromstärke, d.h. die Anzahl der bewegten Teilchen nimmt ab; dafür muss die Spannung steigen, damit die transportierte Energiemenge (bzw. Leistung) erhalten bleibt. UUni = 230 V UL = 2300 V UStadion = 230 V Foto Strommast: Andreas Löbhard PUni = 3400 W PL = 3400 W PStadion = 3400W IUni = 5 A IL = 0,5A IStadion = 5A PV (50m Leitung) = 28 W PV (Uni-Stadion) = 11,25 W PV (100m Leitung) = 56 W vgl. ohne Transformation: R = 45Ω (Uni – Impulsarena): PV = 1125W bei PL = 1150W,

7 Das Verteilungsnetz Übliche Spannungen in Deutschland sind:
Niederspannung: 230V / 400V Mittelspannung: 10 kV / 20 kV Hochspannung : 110 kV Höchstspannung: 220 kV 380 kV Bild: Natur und Technik Physik 10/I (Realschule Bayern); Cornelsen Verlag, Berlin; 2004; S. 68

8 Elektrokraftwerke Wärmekraftwerk – Dampfkraftwerk:
Bild: Wärmequellen können sein: Kohle Müll Öl Kernzerfallswärme ...

9 Elektrokraftwerke Wärmekraftwerk – Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk: Abgas
Diese Datei wurde unter den Bedingungen der „Creative Commons Namensnennung-Weitergabe unter gleichen Bedingungen Unported“-Lizenz in der Version 3.0 veröffentlicht. Lizenzvertrag: Diese Datei wurde unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation veröffentlicht. Es ist erlaubt, die Datei unter den Bedingungen der GNU-Lizenz für freie Dokumentation, Version 1.2 oder einer späteren Version, veröffentlicht von der Free Software Foundation, zu kopieren, zu verbreiten und/oder zu modifizieren. Es gibt keine unveränderlichen Abschnitte, keinen vorderen Umschlagtext und keinen hinteren Umschlagtext. Quelle: Wikipedia „Prinzip eines Kombikraftwerks“; Urheber: Peter Lehmacher

10 Elektrokraftwerke Kernkraftwerk: (Nutzung von Wärmeenergie)
Die meisten Kernkraftwerke in der BRD sind mit Druckwasserreaktoren ausgestattet: Bild: Diese Datei ist lizenziert unter der Creative-Commons-Lizenz Namensnennung-Weitergabe unter gleichen Bedingungen 2.0 Deutschland; Urheber: Steffen Kuntoff; u.a. veröffentlicht auf

11 Elektrokraftwerke Solarthermische Kraftwerke:
Es stehen verschiedene varianten solarthermischer Kraftwerke (CSP-Kraftwerke) im Mittelpunkt der Diskussion: Aufteilung CSP-Kraftwerke Weltweit 2008 1. Parabolrinnenkraftwerke 94 % 2. Solarturmanlagen 6 % Quelle: 3. Dish-Stirling-Anlagen 4. andere

12 Elektrokraftwerke Solarthermische Kraftwerke:
1. Parabolrinnenkraftwerke Kalifornien, Kramer Junction Bild Kramer Junction: Bilder oben: /Lizenziert unter der Creative Commons-Lizenz Attribution ShareAlike 2.5 Autor: Andrew Buck Salz- tank Turbine Solarfeld Wärmetauscher Wärmetauscher

13 Elektrokraftwerke Solarthermische Kraftwerke: 2. Solarturmanlagen
Solarturm in Kalifornien Solarturm bei Jülich (NRW) Bild links: Bodo Klecksel Bild rechts: Video

14 Elektrokraftwerke Solarthermische Kraftwerke: 3. Dish-Stirling-Anlagen
Ein Parabolspiegel konzentriert die Sonnenenergie auf einen Absorber. Ein Arbeitsgas im Absorber treibt den Stirlingmotor an. Foto: Pedro Servera Die dadurch entstandene mechanische Energie wird anschließend in einem Generator in elektrische Energie umgewandelt.

15 Elektrokraftwerke Solarelektrische Direktumwandlung:
Photovoltaischer Effekt Foto: Andreas Löbhard Grafik: Lizenzfrei aus Internet

16 Elektrokraftwerke Wasserkraftwerke:
Laufwasserkraftwerk (Pump-)Speicherkraftwerk Quelle: VSE Generator Bild: Privates Kraftwerk: Andreas Löbhard Bild: Laufwasserkraftwerk: Markus Schweiss Bild: (Pump-)Speicherkraftwerk: Laufrad der Turbine Privates Kraftwerk mit 3m Fallhöhe und 25kW Leistung

17 Elektrokraftwerke Wasserkraftwerke: Gezeitenkraftwerk
Meeresströmungskraftwerk offenes Meer Damm Staubecken bei Flut offenes Meer Damm Staubecken Bild links: Louis Rast / K.Vogel aus: Bild rechts: Diese Datei wurde unter den Bedingungen der Creative Commons „Namensnennung-Weitergabe unter gleichen Bedingungen 3.0 Unported. Autor dieser Datei ist: Feldoncommon bei Ebbe Rohrturbine mit Generator Niveauunterschied

18 Elektrokraftwerke Windkraftwerke: Windrad Vision der Zukunft:
Bild „Aufwindkraftwerk“: Diese Datei ist lizenziert unter der Creative-Commons-Lizenz Namensnennung-Weitergabe unter gleichen Bedingungen 2.0 Deutschland; Urheber: Steffen Kuntoff; u.a. veröffentlicht auf Bild „Höhenwindkraftwerk“: (Stand ) Vision der Zukunft: Höhenwindkraftwerk

19 Elektrokraftwerke Geothermische Kraftwerke: „Hot-Dry-Rock-Verfahren“
Quelle: Natur und Technik Physik 10/I (Realschule Bayern); Cornelsen Verlag, Berlin; 2004; S. 36 „Hot-Dry-Rock-Verfahren“

20 Elektrokraftwerke Biomasse-Kraftwerke: Gülle und Biomasse werden dem
Gärbehälter zugeführt. Im Gärbehälter werden diese Stoffe durch anaerobe Bakterien zersetzt, dabei entsteht als Abfallprodukt Dünger und ein Methan-Kohlendioxid-Gemisch, das Biogas. Durch das Verbrennen des entstandenen Gases in einem Motor, an den ein Generator angeschlossen ist, entsteht Wärme und Strom. Quelle: (Stand: ) Dieser Strom kann entweder direkt in Haushalten oder Betrieben verwendet werden, und/oder ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden.

21 Elektrokraftwerke Brennstoffzelle: Video
Videolink: Bild links: NASA Bild rechts: Natur und Technik Physik 10/I (Realschule Bayern); Cornelsen Verlag, Berlin; 2004; S. 169 Video

22 Kraftwerke im Vergleich
Wärme-KW Kern-KW Biomasse-KW Wasser-KW Wind-KW Photovoltaik Wirkungsgrad ca. 40% ca. 33% 20-35% bis 95% 20-40% 13-17% (steigend) Brennstoff Kohle Müll Heizöl Uran Biogas Erdgas Holzabfälle, ... Standort benötigt nicht in Staustufen; Küstenländer; alle Freiflächen und Infrastruktur; Ballungsgebieten; Stauseen Bergkämme Hausdächer mit Gewässer zur Südlage Kühlung Umwelt Abwärme radioaktive Stoffe vgl. Wärme-KW Eingriff in Natur Lärm und Herstellung; (60% der Energie können in die und flimmernder Entsorgung heizt die Umwelt Umgebung Landschaftsbild Schattenwurf auf; gelangen; durch Treibhauseffekt Problem der Rotorblätter Endlagerung; Aussichten noch unverzicht- nur noch bis noch ausbaubar kaum noch nur bei höherem (Deutschland) bar 2021 in Betrieb ausbaubar Wirkungsgrad und geringeren Herstellungskosten gut Quelle: Natur und Technik Physik 10/I (Realschule Bayern); Cornelsen Verlag, Berlin; 2004; S. 36

23 Energiewirtschaft Anteil am Grundlastverbrauch: 83,7TWh 570TWh
Quelle Bayern 2001: Energiebericht Bayern 2001 Quelle Deutschland 2003: Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit; Verband der Elektrizitätswirtschaft( VDEW) e.V.; 2003 570TWh

24 Gewichtung der erneuerbaren Energien
Quelle Bayern 2001: Energiebericht Bayern Quelle Deutschland 2003: Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit; Verband der Elektrizitätswirtschaft( VDEW) e.V.; 2003

25 Energieresourcen in EUMENA
Quelle: "DESERTEC Foundation /  a year

26 Energiereserven und ihr Potential
Weltweit: jährliche wirtschaftlich bei unverändertem Stromproduktion förderbare Verbrauch erschöpft Vorräte für im 1000 TWh Jahr Öl 45 2680 2047 Gas 24 1600 2069 Kohle 33 5700 2175 Uran 4 460 2106 Gesamt: 106 10440 2103 Zahlen basieren auf den Verbrauchswerten aus dem Jahr 2005. EUMENA: mögl. rentable jährl. Stromproduktion 1000 TWh Windkraft 1950 Photovoltaik 325 Biomasse 1350 Geothermie 1100 Wasserkraft Solarthermie 630000 Quelle: "DESERTEC Foundation / 

27 Video Quelle: "DESERTEC Foundation / www.desertec.org"
Videolink: Video