Erneuerbare Energien erforschen - von der Primar- bis zur Sekundarstufe

Mit den Produkten Class Set Solar Energy und STEM Renewable Energies

Mehr Infos zum Produkt Class Set Solar Energy

Einzelheiten zum Produkt finden Sie über den nachfolgenden Link auf der Produktdetailseite
Direkt zum Produkt

Fertige Unterrichtspläne zum Class Set Solar Energy 

Es stehen fertige Unterrichtspläne zur Verfügung. Wenn Sie Näheres zu Lerninhalten, Bezug zum Bildungsplan und zu den Downloads der Aufgabenblätter und Lösungen erhalten wollen, folgen Sie dem nachfolgenden Link
Unterrichtspläne zum Produkt Class Set Solar Energy

Mehr Infos zum Produkt STEM Renewable Energies

Einzelheiten zum Produkt finden Sie über den nachfolgenden Link auf der Produktdetailseite
Direkt zum Produkt

Fertige Unterrichtspläne zum Set STEM Renewable Energies

Es stehen fertige Unterrichtspläne zur Verfügung. Wenn Sie Näheres zu Lerninhalten, Bezug zum Bildungsplan und zu den Downloads der Aufgabenblätter und Lösungen erhalten wollen, folgen Sie dem nachfolgenden Link
Unterrichtspläne zum Produkt STEM Renewable Energy

Einführung in das Thema

Regenerative oder erneuerbare Energie bezeichnet die Bereitstellung von Energie aus nachhaltigen Quellen wie Sonne, Wind, Wasser, Geothermie oder Biomasse. Sie stehen in nahezu unerschöpflichem Maße zur Verfügung. Die Sonne hat noch eine Lebensdauer von ca. 5 Milliarden Jahren. Solarstrahlung kann in Strom oder Wärme umgesetzt werden. Windenergie, Wasserkraft und Biomasse sind ebenfalls Sonnenenergie in verwandelter Form. 

Dagegen nimmt das Vorkommen von fossilen Energieträgern wie Kohle, Erdöl, Erdgas und konventionellen Kernbrennstoffen bei stetigem Verbrauch kontinuierlich ab. Diese fossilen Energieträger gehören zu den Nicht-Erneuerbaren Energien. Nach ihrer Verbrennung im Kraft- oder Heizwerk stehen sie nicht mehr zur Verfügung. Sie regenerieren sich nicht, sie sind entwertet.

Die wachsende Weltbevölkerung und die voranschreitende technologische Entwicklung der Menschheit führen jedoch einen enormen Energiebedarf mit sich, der immer weiter zunimmt. Zudem ist bekannt, dass die Emissionen des Treibhausgases Kohlenstoffdioxid (CO2) bei der Verbrennung von Erdöl, Erdgas und Kohle sehr hoch sind und nach bisherigem Wissensstand Auslöser der globalen Klimaerwärmung sind. Der Treibhausgasausstoß von regenerativen Energien beträgt jedoch pro erzeugter Energieeinheit nur ein 1/10 bis 1/100 im Vergleich zu fossilen Energiequellen.

Der Umstieg der Energieversorgung von fossilen und Kernbrennstoffen auf erneuerbare Energien ist bereits in vollem Gange und wird in Deutschland als Energiewende bezeichnet. Neben dem verstärkten Ausbau zu erneuerbaren Energien sind die Reduzierung unseres Energieverbrauchs und die Steigerung der Energieeffizienz durch technologischen Fortschritt zentrale Themen und aktuelle Herausforderung zugleich. Im Alltag begegnet uns die Energiewende bei der Elektromobilität im Verkehr, beim Kauf von energieeffizienten Haushaltsgeräten oder bei der energetischen Sanierung von Gebäuden. 

Aktuelle und qualitätsgesicherte Daten zur Entwicklung der erneuerbaren Energien in Deutschland werden regelmäßig vom Umweltbundesamt bereitgestellt.

Aber was ist nun Energie?

Wir erleben die Erscheinungsformen von Energie durch die Wärme des Feuers oder durch die Kraft des Windes. Wir können sie nicht sehen, hören, schmecken oder riechen und nutzen sie doch in vielfältiger Weise. Aus der Physik wissen wir: Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Wenn eine Lampe eingeschaltet oder ein Auto mit Benzin bewegt wird erleben wir die Umwandlung einer Energieform mit Hilfe von Energiewandlern in eine andere Energieform. Energie ist demzufolge auch kein Stoff, sondern eine Eigenschaft von Körpern. Auch der elektrische Strom ist keine Energie. Er trägt die Energie mit sich und gibt sie erst in den Elektrogeräten ab. Der elektrische Strom transportiert Energie. 

Streng wissenschaftlich gesehen ist daher der allgemeine Sprachgebrauch erneuerbare oder regenerative Energien nicht korrekt. Energie kann weder erzeugt, noch verbraucht, also auch nicht erneuert werden. Energie kann lediglich von einer Form in eine andere umgewandelt werden. Dabei bleibt zwar die Menge der Energie in einem abgeschlossenen System konstant, der nutzbare Anteil der Energie aber ist je nach Umwandlung unterschiedlich hoch. In der Summe bleibt die Energiemenge gleich. Genauer betrachtet ist das, was wir Energieverbrauch nennen, die Entwertung von Energie. Der Nutzwert der Energie nimmt durch Umwandlung und Transport ab. So wird z. B. beim Verbrennen von Holz die im Holz gespeicherte chemische Energie in thermische Energie und Lichtenergie umgewandelt. Wenn Wärme an die Umgebung abgegeben ist, ist sie nicht mehr nützlich, sie ist entwertet – wir sagen „verbraucht“.

Weil unser Energieverbrauch bei zugleich schrumpfenden fossilen Energieträgern stetig steigt, ist es umso spannender mit erneuerbaren Energien zu experimentieren und zu verstehen, wie durch Sonnenenergie, Windenergie und Wasserkraft Energie umgewandelt, gespeichert und der Wirkungsgrad bei der Übertragung von Energie verbessert werden kann.

Historie - Geschichte der Erneuerbaren Energien

Wasserkraft

Wasserkraft ist sicherlich einer der am ältesten genutzten Energieträger. Bereits vor 3500 Jahren wurde in Mesopotamien die Nutzung der Energie des Wassers mit Hilfe von Wasserschöpfräder betrieben. Vom Wasserrad zur Turbine war es ein weiter Weg. Die Ingenieurkunst der Aufklärungszeit führte zu Verbesserungen der Wasserräder und schließlich zum Bau neuer Maschinentypen, wie z.B. Wassersäulenmaschinen. 1824 erfindet Claude Burdin auf dieser Grundlage schließlich die erste Turbine. Als dann 1866 Werner von Siemens noch den elektrodynamischen Generator erfand, wurde die Umwandlung von Wasserkraft in elektrischen Strom möglich. 1880 wurde das erste Wasserkraftwerk im englischen Northumberland in Betrieb genommen. 1890 ging die erste deutsche Wasserkraftanlage, die gleichzeitig auch das erste Wechselstromkraftwerk war, in Bad Reichenhall ans Netz und schon 1896 entstand an den Niagarafällen in den USA das erste Großkraftwerk der Welt.

Windkraft

Mit dem Aufkommen der Elektrizität entstanden Ende des 19. Jahrhunderts auf der Grundlage der Windmühlentechnik erste Versuche, mit Windkraftanlagen Strom zu erzeugen. In den 50er Jahren wurde der Ingenieur J. Juul zum Pionier, als er die weltweit erste Windkraftanlage zur Wechselstromerzeugung in Vester Egesborg errichtete. Die innovative Windkraftanlage von Gedser mit einer Leistung von 200 kW wurde in den Jahren 1956-57 von J. Juul für die Elektrizitätsgesellschaft SEAS an der Küste von Gedser im Süden Dänemarks gebaut. 1987 entstand auf dem Growian-Gelände bei Marne der erste Windpark Deutschlands. 

Photovoltaik

1839 wurde der photovoltaische Effekt von Alexandre Edmond Becquerel entdeckt, mit dem die Geschichte der Photovoltaik beginnt. Es dauerte jedoch noch über einhundert Jahre, bis es zu einer Nutzung in der Energieversorgung kam.
Die erste Erklärung des photoelektrischen Effekts lieferte 1904 Albert Einstein. Zuvor hatte Edmond Becquerel zwar den Beweis für einen Zusammenhang zwischen Licht und Energieerzeugung geliefert, es konnte aber zunächst kein Nutzen aus dieser Entdeckung gezogen werden. Den Physikern Chapin, Fuller und Pearson gelang es 1954, die weltweit erste Version einer Siliziumsolarzelle zu bauen. Es war der Startschuss für die Verwendung kristalliner Solarzellen zur Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie. Die ersten 108 Photovoltaikzellen kamen 1958 auf der Mission des US-Satelliten Vanguard zum Einsatz. 
Bis aber terrestrische Anlagen installiert wurden, sollten noch weitere 20 Jahre vergehen. 1976 entschied sich die australische Regierung, das Telekommunikationsnetz im Outback mit Solarzellen auszustatten, um die dort verbauten Batterien zu laden. Mitte der 80er Jahre überzeugte der schweizerische Ingenieur Markus Real damit, kleine dezentrale Photovoltaik-Anlagen auf Hausdächern zu installieren, um so die private Umsetzung zu demonstrieren. In der Folgezeit starteten zahlreiche großangelegte Solarprojekte wie das 1.000-Dächer-Programm in Deutschland (1990) oder das 70.000-Dächer-Programm in Japan (1994). 2010 wurde in Deutschland die zehn Gigawattgrenze überschritten und 2012 erreichte man bereits 25 Gigawatt. Ende 2019 sind über 49 GW in Deutschland installiert.
 

Grundlagen

Mit der Unterschrift der Energiewirtschaft und der Bundesregierung unter den Atomausstieg am 11. Juni 2001 rückte die sogenannte Energiewende, der Umbau des Energiesystems in eine nachhaltige Energieversorgung mit Hilfe erneuerbarer Energien, in den Vordergrund der gesellschaftlichen Wahrnehmung, aktuellen Forschung und technologischen Entwicklung.

Der fischertechnik-Lernbaukasten Erneuerbaren Energien behandelt die zentralen Fragestellungen zur Energieumwandlung durch Kraftwandler, Energieübertragung und Energiespeicherung der erneuerbaren Energieträger. Die verschiedenen Modelle zur Windkraft, Wasserkraft und Photovoltaik laden zum Experimentieren und Erforschen ein und gehen thematisch auf aktuelle Fragestellungen der Naturwissenschaft und Physik ein.

Den Arbeiten zum Themenkreis Erneuerbare Energien dienen folgende fischertechnik-Bauteile:

  • Der fischertechnik- Solar-Micromotor ist klein, aber leistungsfähig. Er wird mit 0,5-2V Gleichspannung betrieben.

 

  • Zwei Solarzellen 60x60 1,0V 0,44A liefern die notwendige Power für den Antrieb der Modelle oder als Energiewandler für die Energiespeicherung

 

  • Ein Solar-Goldcap 10F 2,3V, der sich durch seine extrem hohe Kapazität auszeichnet
  • Eine Hydro-Cell 0,5V-0,9V 0,5A Brennstoffzelle, mit der die chemische Energie eines Brennstoffs (z.B. Wasserstoff) in elektrischen Strom umgewandelt werden kann

 

  • Ein Spannungswandler, dieser transformiert die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle von ca. 0,9V auf ca. 2,0V

 

All das passt sich natürlich perfekt ins fischertechnik-System ein, sodass nicht nur die grundsätzlichen Problemstellungen der erneuerbaren Energien dargestellt werden, sondern realistische Funktionsmodelle betrieben werden können

 
fe80::c21:30c5:f52e:7cbf%4