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Elektrische Energieversorgung Wichtiges Grundwissen für den Lehramtsstudierenden der Haupt- und Realschule Universität Augsburg Didaktik der Physik 1.

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Präsentation zum Thema: "Elektrische Energieversorgung Wichtiges Grundwissen für den Lehramtsstudierenden der Haupt- und Realschule Universität Augsburg Didaktik der Physik 1."—  Präsentation transkript:

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

2 Elektronenstrom und Energiestrom 2 Ladungen übertragen Energie von der Stromquelle zum Verbraucher: Im Gegensatz zu den Ladungsträgern fließt die el. Energie nicht im Kreislauf. Zufuhr von nicht elektrischer Energie elektrische Energie wird übertragen Abgabe von nicht elektrischer Energie z. B. chemische Energie mechanische Energie Strahlungsenergie z. B. thermische Energie mechanische Energie Strahlungsenergie

3 Elektronenstrom und Energiestrom 3 Energie steckt in der Spannungsquelle Spannung U = E Energieunterschied U = = Q = I t transportierte Energie E = U · I t = W el elektrische Arbeit W el = P el t P el =

4 Leitungsverlust im realen Stromkreis 4 Bewegung erfordert Arbeit: R = U / I mit U = R I folgt: W = U · I · t W = R I I t = R · I 2 · t = Arbeit zur Überwindung des Widerstands

5 Leitungsverlust im realen Stromkreis 5 mit W = R · I 2 · t ist: Gesamtenergiedurchsatz im Stromkreis: E = W oben + E Lampe + W unten = R oben · I 2 · t + P L t + R unten · I 2 · t mit P = E/t ist: P = P V + P L P = R oben · I 2 + P L + R unten · I 2 =(R o + R u ) · I 2 + P L Bsp.: Elektrorasenmäher U = 230V P R = 1150W R Kabeltrommel 2 0,0112 /m Uni – Impulsarena: (ca. 2 km) 50m: Leitungslänge:Widerstand: R = 1,12 R = 45 P V = 28 W P V = 1125 W Verlustleistung: I = 5A

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. P Uni = 3400 W P L = 3400 W P Stadion = 3400W U Uni = 230 V U L = 2300 V U Stadion = 230 V I Uni = 5 A I L = 0,5A I Stadion = 5A P V (Uni-Stadion) = 11,25 W vgl. ohne Transformation: R = 45 (Uni – Impulsarena): P V = 1125W bei P L = 1150W, 6 P V (50m Leitung) = 28 W P V (100m Leitung) = 56 W

7 Das Verteilungsnetz 7 Übliche Spannungen in Deutschland sind: Niederspannung:230V / 400V Mittelspannung: 10 kV / 20 kV Hochspannung :110 kV Höchstspannung: 220 kV 380 kV

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

9 Elektrokraftwerke 9 Abgas Wärmekraftwerk – Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk:

10 Elektrokraftwerke 10 Die meisten Kernkraftwerke in der BRD sind mit Druckwasserreaktoren ausgestattet: Kernkraftwerk: (Nutzung von Wärmeenergie)

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

12 Kalifornien, Kramer Junction Elektrokraftwerke 12 Solarthermische Kraftwerke: 1. Parabolrinnenkraftwerke Solarfeld Wärmetauscher Wärmetauscher Salz- tank Turbine

13 Elektrokraftwerke 13 Solarthermische Kraftwerke: 2. Solarturmanlagen Solarturm bei Jülich (NRW) Solarturm in Kalifornien Video

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

15 Elektrokraftwerke 15 Solarelektrische Direktumwandlung: Photovoltaischer Effekt

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

17 Elektrokraftwerke 17 Wasserkraftwerke: MeeresströmungskraftwerkGezeitenkraftwerk offenes Meer Damm Staubecken bei Flut bei Ebbe Niveauunterschied Rohrturbine mit Generator

18 Elektrokraftwerke 18 Windkraftwerke: Vision der Zukunft: Höhenwindkraftwerk Windrad

19 Elektrokraftwerke 19 Geothermische Kraftwerke: Hot-Dry-Rock-Verfahren

20 Elektrokraftwerke 20 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. Dieser Strom kann entweder direkt in Haushalten oder Betrieben verwendet werden, und/oder ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden.

21 Elektrokraftwerke 21 Brennstoffzelle: Video

22 Kraftwerke im Vergleich 22 Wärme-KWKern-KWBiomasse-KWWasser-KWWind-KWPhotovoltaik Wirkungsgradca. 40%ca. 33%20-35%bis 95%20-40%13-17% (steigend) BrennstoffKohle Müll HeizölUranBiogas Erdgas Holzabfälle,... Standortbenötigtnicht inStaustufen;Küstenländer;alle Freiflächen und Infrastruktur;Ballungsgebieten;StauseenBergkämmeHausdächer mit Gewässer zur Südlage Kühlung UmweltAbwärmeradioaktive Stoffevgl. Wärme-KWEingriff in NaturLärm undHerstellung; (60% der Energiekönnen in die undflimmernderEntsorgung heizt die UmweltUmgebung LandschaftsbildSchattenwurf auf;gelangen; durch TreibhauseffektProblem der Rotorblätter Endlagerung; Abwärme Aussichtennoch unverzicht-nur noch bisnoch ausbaubarkaum nochnoch ausbaubarnur bei höherem (Deutschland)bar2021 in Betrieb ausbaubar Wirkungsgrad und geringeren Herstellungskosten gut

23 Energiewirtschaft 23 83,7TWh 570TWh Anteil am Grundlastverbrauch:

24 Gewichtung der erneuerbaren Energien 24

25 Energieresourcen in EUMENA a year

26 Energiereserven und ihr Potential 26 Weltweit:jährlichewirtschaftlichbei unverändertem StromproduktionförderbareVerbrauch erschöpft Vorräte fürim 1000 TWh Jahr Öl Gas Kohle Uran Gesamt: EUMENA:mögl. rentable jährl. Stromproduktion 1000 TWh Windkraft1950 Photovoltaik325 Biomasse1350 Geothermie1100 Wasserkraft1350 Solarthermie Zahlen basieren auf den Verbrauchswerten aus dem Jahr 2005.

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