Lernwerkstatt Energiequellen - Gestern, Heute, Morgen?

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Lernwerkstatt ENERGIEQUELLEN Gestern • Heute • Morgen? – Bestell-Nr. P11 220

Vorwort Seite 4

Einleitung Seite 5

Kapitel I: Mechanische Energie Seiten 6 – 13

Kapitel II: So war es früher Seiten 14 – 16

Kapitel III: Chemische Energie Seiten 17 – 21

Kapitel IV: Die Energie des Verbrennungsmotors Seiten 22 – 23 Kapitel V: Energie wird nicht erzeugt und verbraucht Seiten 24 Kapitel VI: Windenergie wird zu elektrischer Energie Seiten 25 – 27

Kapitel VII: Kernenergie Seiten 28 – 35

Kapitel VIII: Lässt sich Strom im See speichern? Seiten 36 – 37

Kapitel IX: Energiepflanzen Seiten 38 – 42

Kapitel X: Die Energie der Sonnenstrahlen Seiten 43 Kapitel XI: Mit Sonnenstrahlen heizen? Seiten 44 – 45 Kapitel XII: Warmes Wasser von Sonnenstrahlen Seiten 46 – 49 Kapitel XIII: Die wandelbare Energie der Sonne Seiten 50 – 53 Kapitel XIV: Bewegtes Meer wird elektrische Energie Seiten 54 – 55

Kapitel XV: Strom aus der Erde? Seiten 56 – 59

Kapitel XVI: Erdwärme für ein ganzes Haus? Seiten 60 – 65 Kapitel XVII: Kohlenstoffdioxid (CO2) als Energieträger Seiten 66 – 70 Kapitel XVIII: Die Lösungsvorschläge Seiten 71 – 80

Inhalt

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VORSC

HAU

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Bedeutung der Symbole:

EA PA

Einzelarbeit Partnerarbeit

Vorwort

Liebe Kolleginnen und Kollegen,

der Titel der hier vorgelegten Veröffentlichung ist Programm – und eine unendliche Ge- schichte. Die begann lange vor der Entstehung der Erde, und sie wird von uns Heutigen mehr oder weniger geschickt oder sinnvoll fortgesetzt.

Damit diese Fortsetzung etwas vernünftiger verläuft, haben wir die Aufgaben,

• unsere SchülerInnen zu informieren über das Geschehen der verschiedenen Energieumwandlungen.

• Sie sollen aber auch die Energieumwandlungen verstehen, um

• Grundlagen zu besitzen für eigene Entscheidungen. Und die beziehen sich auf den persönlichen Umgang mit Energie und auf eigene politische Entscheidungen.

• Damit haben Ihre SchülerInnen erheblichen Einfluss auf die Fortsetzung der unendlichen Geschichte.

Ein erfreuliches Problem besteht darin, dass zurzeit ökologisch sinnvolle Techniken der Energieumwandlung entwickelt werden. Problematisch ist daran, dass sie mir zwar ansatzweise bekannt sind – aber noch nicht reif für eine didaktisch-methodische Bear- beitung. Sie werden aber in einer der nächsten und aktualisierten Auflagen erscheinen dürfen.

Eine Idee zum Schluss:

„Energie“ ist ein Thema, das täglich auch die Presse beschäftigt.

Jugendliche werden kaum diese Beiträge ohne Aufforderung lesen. Vielleicht haben Sie ja genügend Platz für eine „Energie-Wand“. Hier hängt dann ein aktuell bearbeitetes Arbeitsblatt, und darunter und darüber ein Zeitungsausschnitt.

Die entsprechenden Stellen des Artikels sind markiert, und lassen so den Bezug zum Thema das Arbeitsblattes erkennen.

Dabei wünschen Ihnen und Ihren Schülerinnen und Schülern viel Erfolg der Kohl-Verlag und

Wolfgang Wertenbroch

VORSC

HAU

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Hinrich/wikimedia.de Liebe Schülerin, lieber Schüler,

wenn du in der Pause dein Frühstück verzehrst, denkst du wahrscheinlich nicht darüber nach, welche Energien dir zu deinem Frühstück verholfen haben.

Du hast ein belegtes Baguette-Brötchen als Frühstück. Um dieses Brötchen (noch ohne Be- lag) in deine Schultasche zu befördern, werden verschiedene Energien genutzt.

• Der Landwirt sät mit einer großen Maschine den Weizen. Die Maschine wird von einem Verbrennungsmotor angetrieben.

• Nach einigen Wochen bringt der Landwirt Mittel zur Bekämpfung von tierischen Schädlingen und Wild- kräutern aus – wieder mit einer Maschine mit Ver- brennungsmotor.

• Die Ernte erfolgt ebenfalls mit einer großen motor- getriebenen Maschine.

• Wenn das Korn gemahlen wird, setzt die Mühle wohl kaum Windkraft ein, sondern elektrische Energie.

• Weil das Mehl zu deinem Baguette werden soll, muss es zum Bäcker und zu den Großbäckereien transportiert werden – mit einem LKW.

• Das Mehl wird mit Zutaten vermischt, mithilfe elektrischer Energie.

• Schließlich wird die Mischung abgebacken, im kleinen Ofen des Bäckers oder in den großen Öfen der Großbäckerei. Die Wärmeenergie wird mithilfe von Gas, Öl oder Elektrizität erzeugt.

• Weil du das Baguette-Brötchen nicht am Standort der Großbäckerei kaufen möchtest, muss es mit vielen anderen Produkten transportiert werden, aber nicht mit Pferd und Wagen ...

Diese Vorgänge und Abläufe sollen dich dazu bringen, ab und zu über den Einsatz von Ener- gie in deinem Alltag nachzudenken. Wenn du dir jetzt noch Gedanken darüber machst, welche und wie viel Energie für den Belag deines Brötchens erforderlich ist, bist du auf dem richtigen Weg.

Auf diesem Weg sollen dich die weiteren Informationen und Aufgaben begleiten. Sie sollen dir auch helfen, in das Thema ENERGIE einzusteigen und dir schließlich die Grundlagen zu vermitteln, um verantwortlich zu handeln.

Dabei wünschen wir dir entspanntes Lernen und viel Erfolg!

Einleitung

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VORSC

HAU

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I. Mechanische Energie

Aufgabe 1: Damit du den Begriff ENERGIE einordnen kannst, sollst du die folgende Übersicht lesen und verstehen.

MATERIE ENERGIE

EA

und

Aufgabe 2: J. hat wieder ihr Training aufgenommen. Mehrmals am Tag greift sie zum Springseil und springt drei Minuten.

J. erfährt bei ihrem Training zwei Arten von Kräften. Sie merkt eindeutig, dass sie Kraft für eine Bewegungsänderung aufwenden muss. Worin besteht die Bewegungsänderung und wodurch wird die Kraft dafür erzeugt?

EA

!

Nach jedem Sprung kehrt die Masse (60 kg) der Schülerin aus der Höhe wieder auf den Boden zurück.

Welche Kraft ist dafür verantwortlich?

Materie hat Gewicht und Masse – und ein Volumen. Sie ist träge und

setzt einer Bewegungsänderung einen Widerstand entgegen.

Materie können wir mit unseren Sinnen wahrnehmen.

Energie (grch. energeia = Tätigkeit, Kraft) ist die Fähigkeit, Arbeit zu leisten und Kraft wirken

zu lassen.

VORSC

HAU

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I. Mechanische Energie

Aufgabe 3: Der Begriff ENERGIE soll jetzt erweitert werden:

EA

ENERGIE Mechanische ENERGIE

ENERGIE der Bewegung

gespeicherte ENERGIE

Im vorigen Beispiel der Seilspringerin wurde während einer Bewegung Kraft auf- gewendet, die längs eines Weges wirkte. „Längs eines Weges“ – trifft das für die nächsten beiden Beispiele zu? Schreibe deine Antwort mit Erklärung auf.

a) Der Lehrer R. ist ein sportlicher Mensch. Nach jeder Pause springt er die Treppen zu seinem Klassenraum hoch.

!

b) In der letzten Pause meinte der Schüler K. mal wieder, seine Kräfte demonstrieren zu müssen – auf unpassende Art und Weise. Als der Werklehrer davon erfährt, hat er eine Idee: K.

soll den Arm gerade vom Körper weg nach vorn ausstrecken.

Der Werklehrer gibt dem K. einen der Hocker in die ausge- streckte Hand mit dem Auftrag, ihn nur zwei Minuten so zu halten. Schon nach wenigen Sekunden beginnt K. deutlich zu schwächeln ...

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HAU

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VII. Kernenergie

Aufgabe 9: Geschichtliches zu den Uran-Atomen

Der folgende interessante Text ist noch unvollständig.

Setze diese Wörter an passender Stelle ein:

EA

Später fanden Physiker in aller Welt heraus: Bei der ________________ der Kerne des Urans wird viel Energie frei. Außerdem kann der _____________________

so gesteuert werden, dass die auseinanderbrechenden Uranatome immer weiter Uranatome spalten. So geht die ___________________ von Energie immer weiter, ohne dass dafür Energie zugeführt werden muss.

Das Element Uran entstand vor Milliarden von Jahren. Entdeckt wurde es 1789 und wurde nach dem damals ebenfalls entdeckten Planeten _____________ benannt.

Im 19. Jahrhundert und noch bis ins 20. Jahrhundert wurde Uran in Minen abgebaut und zum __________ von Glas und Geschirr verwendet.

Uran ist ein silberglänzendes, weiches Schwermetall. Sein ______________ ent- hält 92 positiv geladene Kernteilchen (Protonen). Der Kern ist umgeben von einer Hülle aus 92 negativ geladenen Teilchen (Elektronen). Außerdem enthält der Atom- kern noch elektrisch neutrale Teilchen, die ________________. Uran 235 enthält in seinem Kern 92 Protonen und 143 Neutronen, also zusammen 235 Kernteilchen.

Seit Urzeiten nehmen Menschen und Tiere natürliches Uran über die Nahrung und über das _________________ auf. In geringen Mengen ist es jedoch unbedenklich.

_____________ ist es erst, wenn es in größeren Mengen aufgenommen wird.

Experimenten – Spaltungsprozess – Färben – Neutronen – Trinkwasser – Giftig – Freisetzung – Uranus – Spaltung – Atomkern

Demokrit

Erst 1928 fanden deutsche Wissenschaftler bei ___________________ heraus, dass sich Atome doch spalten lassen.

Die Alten Griechen nahmen an, dass alle Dinge der Welt aus dicht gelagerten, unveränderlichen, unsichtbar kleinen und nur in Gestalt und Grö- ße unterschiedlichen Atomen bestehen. Diese Atome galten als unteilbar (atomos = unteilbar).

Prof. Dr. Otto Hahn

Bundesarchiv, Bild 183- 46019-0001 / CC-BY-SA

!

VORSC

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VIII. Lässt sich Strom im See speichern?

wikimedia.org

Walchensee

Wasserschloss

Rohrbahn

Wasserkraftwerk Walchensee

Maschinenhaus

125 MW Turbine

Generator Wasserablauf Kochelsee

Norwegisches Wasserkraftwerk Oberbecken

1 2 3 Einlaufbauwerk

Fotovoltaikanlage

Windenergieanlage GE Wind Energy Druckstollen Kaverne

Druckrohrverteilleitung

Unterbecken

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HAU

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IX. Energiepflanzen

Aufgabe 1: Energiepflanzen heute

EA

Sauerstoff – gespeichert – Kohlenstoffdioxid – Lichtenergie Hier fehlen nur noch diese Begriffe:

Sonnenenergie

Nährstoffe durch Wurzeln

CO

2

O

₂

Nährstoffe durch Blätter

Mithilfe der _________________________ der Sonne wird in den Pflanzen durch Photosynthese chemische Energie __________________________.

Aus dem _____________________________ der Luft, aus dem Wasser und den Mineralien im Boden bauen die Pflanzen ihr Gewebe auf. Dabei geben die Pflanzen ____________________ ab, die Grundlage menschlichen Lebens.

!

VORSC

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IX. Energiepflanzen

FermenterViehhaltung

Gülle/Mist

Bioabfälle und Reststoffe

Vorgrube

Energiepflanzen Futter

Energie- pflanzen/ Bioabfälle Gärrestelager Gasspeicher

Gasaufbereitungsanlage Blockheizkraftwerk Wärme

Strom

Erdgastankstelle

Erdgasnetz Wärmetauscher

Sammelbecken für Biomasse Abbau von Mikroorganismen; aus dem Gärprozess entsteht Biogas

Aus vergorener Biomasse wird hochwertiger Dünger

Biogas-Anlage

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IX. Energiepflanzen

TUBSD/wikimedia.org

Bei der Fotosynthese setzen grüne Pflanzen die Strahlungsenergie der Sonne in chemisch gespeicherte Energie um und erzeugen organische Substanz (Biomasse).

Wenn der Biomasse unter Luftabschluss Bakterien (aus Gülle) zugesetzt werden, entsteht Biogas, das wie Erdgas zusammengesetzt ist.

Bei der Verbrennung von Biogas in einem Verbrennungsmotor (Dieselmotor) wird die chemische Energie der Biomasse in Wärmeenergie und mechanische / kinetische En- ergie gewandelt. Wenn der Verbrennungsmotor einen Generator („Stromerzeuger“) antreibt, wird die kinetische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Die wiede- rum wird bei den Stromkunden in Wärmeenergie, kinetische Energie und Lichtenergie umgewandelt.

Aufgabe 4: Du brauchst jetzt wieder die Abildung von Seite 40.

Ü Wenn Biogas in einem Dieselmotor verbrannt wird, entsteht im Motor Wärme.

Male das entsprechende Symbol in der Abbildung farbig an.

Ü Das Biogas wird vom Kohlendioxid getrennt und es kann in das Erdgasnetz eingespeist werden. Mit Erdgas können auch Autos betankt werden.

Male das Symbol farbig an.

Ü Im niedersächsischen Jameln eröffnete im Jahr 2006 die erste Biogas-Tankstelle.

Zeichne ein weiteres Zapfhahn-Symbol dazu und beschrifte mit „Biogas-Tankstelle“.

EA

Biogasanlage Gut Böckel in Rödinghausen, Herford, Nordrhein-Westfalen

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XVII. Kohlenstoffdioxid (CO

₂

) als Energieträger

EA

Aufgabe 1: Mit dieser Aufgabe lernst du in groben Zügen die Funktion eines Kohlekraftwerks.

Dafür brauchst du noch die Abbildung auf der Seite 67.

Verfolge auf der Abbildung die nächsten Ausführungen. So entsteht durch Energieumwandlungen die elektrische Energie.

Mit der Stilllegung der Kernkraftwerke muss ein Teil des Atomstroms auch durch Erd- gas- und Kohlekraftwerke ersetzt werden. Ein Umweltproblem besteht in dem von Kohlekraftwerken emittierten Treibhausgas Kohlenstoffdioxid (Kohlendioxid/CO₂).

chemische

Energie thermische

Energie potenzielle

Energie kinetische

Energie elektrische Energie

Ü Die chemische Energie der Kohle wird durch Verbrennung in Wärmeenergie (thermische Energie) umgewandelt. Schreibe an entsprechender Stelle in die Abbildung „chemische Energie“.

Ü Entnimm der Abbildung, wo die thermische Energie entsteht und beschrifte die Abbildung entsprechend.

Ü Durch die Erhitzung des Wassers entsteht Wasserdampf, dessen potenzielle Energie in der Turbine in kinetische Energie gewandelt wird. Schreibe diese Energieform passend in die Abbildung.

Ü Die kinetische Energie der Turbine wird im angeschlossenen Generator in elektrische Energie gewandelt. Die Beschriftung fehlt noch!

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XVII. Kohlenstoffdioxid (CO

₂

) als Energieträger

EA

Zu den Abgasen eine Kohlekraftwerks gehört auch das Kohlendioxid. Es ist Bestandteil der Atemluft und in dieser Konzentration nicht giftig. Gefahr besteht erst, wenn es in größerer Konzentration freigesetzt wird. Durch seinen enormen Anteil in der Atmosphäre trägt es leider auch zur Erderwärmung mit ihren negativen Folgen bei.

Der Firma egm international GmbH in Papenburg ist es gelungen, den Klima- killer CO₂ zum Energieträger zu wandeln.

In einem Wirbelwandler werden Rapsöl, Wasser und CO₂ zu einem Ener- gieträger gewandelt, der einen Dieselmotor antreiben kann. Die thermische Energie des Dieselmotors kann zur Heizung von Gebäuden verwendet werden. Die kinetische Energie des Motors wird im angeschlossenen Generator zu elektrischer Energie umgewandelt.

N

N Wirbelwandler

_______________

!

Aufgabe 2: Trage in die Rechtecke die Namen der Energiewandler und die entsprechenden Energieformen ein.

VORSC

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XVII. Kohlenstoffdioxid (CO

₂

) als Energieträger

EA

Aufgabe 3: In der folgenden Abbildung ist der Wirbelwandler nur angedeutet.

In dieser Version wird auch nur Wasser und CO₂ zugeführt.

Beschrifte die Abbildung:

Wasserbehälter, Wasserzufuhr, CO₂-Speicher, CO₂-Zufuhr

Die Bestandteile der Anlage

1 Wasserzufluss (Leitungswasser, Brunnenwasser, Regenwasser oder Meerwasser) 2 unterer Wasserbehälter

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Inhalt

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Vorwort

Wolfgang Wertenbroch

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Einleitung

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I. Mechanische Energie

MATERIE ENERGIE

und

!

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HAU

I. Mechanische Energie

ENERGIE Mechanische ENERGIE

ENERGIE der Bewegung

gespeicherte ENERGIE

!

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HAU

VII. Kernenergie

!

VORSC

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VIII. Lässt sich Strom im See speichern?

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IX. Energiepflanzen

Sonnenenergie

Nährstoffe durch Wurzeln

CO

O

Nährstoffe durch Blätter

!

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IX. Energiepflanzen

Biogas-Anlage

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HAU

IX. Energiepflanzen

VORSC

HAU

XVII. Kohlenstoffdioxid (CO

) als Energieträger

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XVII. Kohlenstoffdioxid (CO

) als Energieträger

N

!

VORSC

HAU

XVII. Kohlenstoffdioxid (CO

) als Energieträger

N N

N

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3 1

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