Aufgabenstellung zu Station 1 – Energiebegriff

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Inhalt1. Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22. Einführung und Grundausstattung für die Schülerinnen und Schüler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33. Überblick über die Stationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114. Einführung ins Thema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125. Die StationenStation 1 – Energiebegriff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14Station 2 – Energiegrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25Station 3 – Wärmekraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31Station 4 – Kraft-Wärme-Kopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36Station 5 – Kraftwerkskomponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40Der Kraftwerksbesuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43Station 6 – Wasserkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45Station 7 – Windkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53Station 8 – Brennstoffzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58Station 9 – Solarenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62Station 10 – Erdwärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69Station 11 – Biomasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75Station 12 – Zusammenfassung erneuerbare Energien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80Leistungskontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81Station 13 – Energiewirtschaft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85MusterseitenStation 14 – Verbundnetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90Station 15 – Energiesparen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96Station 16 – Energie und Umwelt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103Station 17 – Energiebedarf der Zukunft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1096. Die abschließende Expertendiskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1151

1. EinleitungKlimaschutz und Energie gehören zu den Schlüsselthemen unserer Zeit. Die Aneignung von Grundkenntnissenüber die Energieversorgung und der effizienten Nutzung von Energie gerade in der Schule ist enormwichtig. Sie ermöglicht den Schülerinnen und Schülern, Entscheidungen zum sorgfältigen Handeln in derSchule und zu Hause zu treffen. Das erworbene Wissen befähigt sie, bewusster und verantwortlicher mitEnergie und den dazugehörigen Technologien umzugehen.Um den vermeintlichen Widerspruch des Schülerzitates: „Wie kann es eine Energiekrise geben, wenn dieEnergie doch erhalten bleibt?“ aufzulösen, genügt eine rein physikalische Antwort nicht. Nur eine fächerübergreifendeBetrachtungsweise kann dem Gesamtkomplex Energie gerecht werden. Für die Schule heißtdas unter anderem: Hier liegt ein ideales Feld für Projekttage und Projektwochen, in denen die verschiedenenFachrichtungen einen Beitrag zum Thema leisten können.Die Reihe Lernsequenzen – Unterrichtsmaterialien zum Thema Energie für die Sekundarstufe 1 stellt deshalbdas Thema Energie in acht Heften, die jeweils wichtigen Teilthemen gewidmet sind, fächerübergreifend dar.Sie wendet sich sowohl an Lehrer naturwissenschaftlicher Fächer wie Physik, Biologie und Chemie als auchan Lehrkräfte der Fächer Gemeinschaftskunde/Geographie, Arbeitslehre und Technik der Klassen 5 – 10.Eine bewährte Unterrichtsform, gerade für den naturwissenschaftlich orientierten Unterricht ist dabei dasLernen an Stationen. Hier werden verschiedene Aspekte eines Themas im vorliegenden Fall mit verschiedenenMedien und Arbeitsformen vorgestellt. Es wird selbst gesteuertes Erarbeiten eines Themenfeldesermöglicht, das die individuellen Voraussetzungen und Motivationen des jeweiligen Schülers berücksichtigt.Die Bearbeitung der Stationen kann in unterschiedlicher Tiefe erfolgen. Bei Bedarf können Zusatzaufgabenangeboten werden.Auf der Grundlage der Reihe Lernsequenzen hat das Kollegium des John-Lennon-Gymnasium in Berlineinen Stationen-Zyklus erarbeitet und im Unterricht erprobt. Das John-Lennon-Gymnasium ist eine Partnerschulevon Vattenfall Europe Berlin.Diese Unterrichtseinheit, die in vier bis sechs Wochen durchzuführen ist, umfasst 17 Stationen, die in dreiPhasen abgearbeitet werden.MusterseitenZu Beginn bekommen die Schülerinnen und Schüler zur Orientierung und Strukturierung ihrer bevorstehendenArbeit eine sogenannte Grundausstattung ausgehändigt (siehe Seite 4 – 10).Zur Einführung ins Thema, soll von allen gemeinsam ohne große Vorbereitung das Arbeitsblatt 0 „Die idealeEnergieversorgung: sicher – umweltschonend – wirtschaftlich“ bearbeitet und ausgewertet werden. ZuBeginn der dritten Phase wird dieses Arbeitsblatt ein zweites Mal bearbeitet (siehe Seite 12 – 13).Jede Station setzt sich aus drei Elementen zusammen:• Aufgabenstellung• diverse Arbeitsblätter• Lösungsblätter2

3. Überblick über die Stationen1. PhaseStation 1 – EnergiebegriffStation 2 – EnergiegrößenStation 3 – WärmekraftwerkeStation 4 – Kraft-Wärme-KopplungStation 5 – KraftwerkskomponentenKraftwerksführung2. PhaseStation 6 – WasserkraftStation 7 – WindkraftStation 8 – BrennstoffzelleStation 9 – SolarenergieStation 10 – ErdwärmeStation 11 – BiomasseStation 12 – Zusammenfassung erneuerbare EnergienLeistungskontrolle3. PhaseStation 13 – EnergiewirtschaftStation 14 – VerbundnetzStation 15 – EnergiesparenStation 16 – Energie und UmweltStation 17 – Energiebedarf der ZukunftDie abschließende ExpertendiskussionMusterseitenEs empfiehlt sich die Blätter mit den Aufgabenstellungen und die Arbeitsblätter zu laminieren, damit mansie gegebenenfalls mehrfach verwenden kann.11

Arbeitsblatt 0Die ideale Energieversorgung: sicher – umweltschonend – wirtschaftlichjederzeit ausreichendeund sichereVersorgungumweltschonendwirtschaftlichsinnvollSummeMineralölimporteheimische Braunkohleimportiertes ErdgasKernenergieSteinkohleimporterneuerbare Energien(z. B. Wind, Sonne, Biomasse)Stromimporteheimisches Erdgasheimische SteinkohleEnergiesparenEnergierohstoffimporte ausvielen verschiedenen Staatenviele verschiedenen Energieträger= Energiemix1. Vergebe Punktzahlen von – 3 bis + 3, wie sich Deiner Meinung nach die in der linken Spalte angegebenenMaßnahmen auf die drei wichtigsten Anforderungen sicher, umweltschonend und wirtschaftlich andie Energieversorgung in Deutschland auswirken. (– 3 = sehr schlecht, – 2 = schlecht, – 1 = eher negativ,0 = neutral, 1 = eher positiv, 2 = gut, 3 = sehr gut)Musterseiten2. Addiere die Punktzahlen und stelle Deine persönliche Hitliste der besten und schlechtesten Maßnahmen auf.3. Erstelle eine Gesamtwertung als Summe aller Einzelwertungen und ermittelt so die nach Eurer Meinungwichtigsten Anforderungen an eine sichere, wirtschaftliche und umweltschonende Energieversorgung.13

Aufgabenstellung zu Station 1 – EnergiebegriffMaterial:Lernsequenzen Heft 1 – EnergiePhysikbuchSchere und KlebstoffArbeitsblätter:1.1 – Energiequellen1.2 – Energiearten1.3 – Energieformen1.4 – Energieentwertung1.5 – „Ein energiegeladene Hund“1.6 – Unsere wichtigsten Primärenergieträger1.7 – PrimärenergieangebotArbeitsaufträge:1. Lies im Heft 1 der Lernsequenzen die Seiten 5 – 7.2. Wiederhole und notiere die Begriffe Arbeit und Energie sowie die Grundaussagen des 1. und 2. Hauptsatzesder Wärmelehre.3. Erarbeite und beantworte anhand der Arbeitsblätter folgende Punkte:• Welche Energiearten gibt es?• Welche Energiearten unterscheidet man?• Welche Primärenergieträger werden zur Energieerzeugung eingesetzt?Zusatzaufgabe:MusterseitenLies und erarbeite im Heft 1 der Lernsequenzen die Seiten 8 – 11. Verdeutliche Dir die vier verschiedenenAspekte des Energiebegriffs.Station 1 – Energiebegriff14

Aufgabenstellung zu Station 5 – KraftwerkskomponentenMaterial:Lernsequenzen Heft 2 – Wärmekraftwerkehttp://www.energiewelten.de/elexikon/lexikon/index3.htmArbeitsblatt 5.1 – PrinzipskizzeZusätzliche Informationen unter:http://www.rwesolutionsworld.de/dokumente/rwe_solutions_world_index_v4.htmlhttp://www.tilo-schuster.de/2004/homes04-46.htmArbeitsaufträge:1. Verfolge im Lexikon der Energiewelten online einen Gang durch die wichtigsten Komponenten einesHeizkraftwerkes.Benutze dazu folgende Verknüpfungen:• Wärmekraft– Verbrennungskraftwerk– Dampferzeugung– Kessel– Benson-Kessel• Rauchgasreinigung– Schadstoff in den Rauchgasen– Dampfturbine– AusführungenMusterseiten• Generator– Kraftwerksgeneratoren• Kondensator• Kühlturm– Naturzug-Nasskühlturm2. Lies im Heft 2 der Lernsequenzen Kapitel 2.1.3. – 2.1.7 (Seite 9 – 15).3. Ergänze auf Arbeitsblatt 5.1 – Prinzipskizze die erkannten Komponenten.Station 5 – Kraftwerkskomponenten40

Der KraftwerksbesuchEine Betriebserkundung muss im Unterricht sorgfältig vor- und nachbereitet werden. Die Vorbereitungmuss einerseits auf physikalisch-technischer Ebene erfolgen – bestimmte elektrische Maßeinheiten undGrößenordnungen sowie die Grundlagen des Kraftwerksprozesses sollten den Schülerinnen und Schülernauf jeden Fall bekannt sein.Zum anderen ist es wichtig, dass die Schülerinnen und Schüler für die Begegnung mit der betrieblichenRealität über einen geeigneten Leitfaden verfügen. Hier hat sich ein Fragen- und Aufgabenkatalogbewährt, der im vorbereitenden Unterricht von den Schülern selbst erarbeitet wird. Im Kraftwerk kann einsolcher Katalog den Schülern helfen, mit offenen Augen und aktiver Fragestellung an die Dinge heranzugehen.Zwei bis drei vorbereitete Fragen pro Arbeitsgruppe garantieren eine lebhafte und doch zielgerichteteVeranstaltung.Folgende fachliche Grundlagen sollten bekannt sein:• Elektrische Grundgrößen und Maßeinheiten– Spannung (Volt)– Stromstärke (Ampére)– Leistung (Watt)– Arbeit/Energie (kWh)• Größenordnungen elektrischer Leistung– Glühlampe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60 W– Bügeleisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1000 W– Wäschetrockner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 kW– Windkraftanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 100 kW– Heizkraftwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100 MW– Kohlekraftwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .600 MW– Kernkraftwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 300 MWMusterseiten• Größenordnungen elektrischer Energie– 100-W-Glülampe verbraucht in 10 Stunden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 kWh– Durchschnittlicher Jahresverbrauch eines 3-Personen-Haushalts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 600 kWh– Durchschnittliche Jahresproduktion eines 600-MW-Kohlekraftwerkes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 Mrd. kWh– Jahresproduktion 2007 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .492,1 Mrd. kWh• Kraftwerksprozess– Energieformen und Energieumwandlung– Funktionsprinzip von Turbine, Generator, TransformatorFragen- und AufgabenkatalogBei der unterrichtlichen Entwicklung von Fragen und denkbaren Erkundungsaufgaben sollte darauf geachtetwerden, dass die Schülerinnen und Schüler genügend Zeit haben, sich mit den verschiedenen Aspekten desErkundungsobjektes Kraftwerk aktiv zu befassen. Von der Arbeit mit von der Lehrkraft vorformuliertenErkundungsfragen ist abzuraten, da sich die Schüler mit einem solchen in der Regel nur wenig identifizieren.43

Arbeitsblatt 6.2 – EnergieumwandlungsketteEnergieumwandlung in einem WasserkraftwerkMusterseitenBeispiel: Speicherwasserkraftwerk1StauseeLeitungsmastHöhenunterschiedTurbineFallrohrFallrohrGenerator2 3 4Turbine Generator1. Welche Energieumwandlungen finden statt? 2. Bilde eine Energieumwandlungskette für ein Laufwasserkraftwerk.Station 6 – Wasserkraft47

Arbeitsblatt 9.2 – Aufbau einer SolarzelleInnerer FotoeffektUnter Fotovoltaik versteht man die Direktumwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie ohne Zwischenstufen.Möglich wird dies durch den an Halbleiter gebundenen inneren Fotoeffekt. Halbleiter,zu denen Silizium gehört, sind Materialien, die den elektrischen Strom weniger gut leiten als Metalle, weilim Unterschied zu diesen die Ladungsträger nicht schon frei sind, sondern erst durch Zufuhr von Energieaus dem Kristallverband abgelöst werden müssen. Durch geringe Energiezufuhr ist die Bindung zu lösen:Licht erzeugt bewegliche Ladungsträger, was den inneren Fotoeffekt ausmacht. Die Abbildungen zeigendas Modell eines ungestörten Silizium-Kristallgitters und bewegliche Elektronen in einem Silizium-Kristallgitterbei Lichteinwirkung.Durch Dotierung mit Fremdatomen (z. B. Bor, Phosphor), die entweder im Silizium-Kristall gern Elektronenabgeben oder solche aufnehmen, können reine Halbleiter wie das Silizium in ihrer Leitfähigkeit verändertwerden.Zusatzaufgabe:Der Wirkungsgrad, d. h. das Verhältnis von abgegebener Nutzenergie zur zugeführten Energie einer handelsüblichenSolarzelle, beträgt derzeit ca. 10 %.Rechne aus:In Mitteleuropa strahlt die Sonne auf 1 m 2 waagerechte Fläche im Mittel 1 000 kWh pro Jahr. Wieviel elektrischeEnergie kann von einer 1 m 2 großen Solarzellenfläche in Mitteleuropa pro Jahr maximal erzeugtwerden? Wieviel kann die gleiche Solarzellenfläche maximal pro Jahr in äquatorialen Gebieten erzeugen,in denen die solare Einstrahlung auf 1 m 2 waagerechte Fläche im Mittel 2 300 kWh pro Jahr beträgt?Lösung:In Mitteleuropa können auf einer waagerechten Fläche maximal 100 kWh, am Äquator maximal 230 kWhpro Jahr erzeugt werden. In Mitteleuropa wird dieser Wert durch eine Aufständerung der Solarzellenflächenum z. B. 30 °C gesteigert.Musterseiten1 000 kWh/a1 m 21 m1 mQuelle: HEW AGIn Mitteleuropa strahlt die Sonne auf 1 m 2 waagerechte Fläche im Mittel 1 000 kWh pro Jahr solare Energie.Station 9 – Solarenergie64

LeistungskontrolleZwischen dem zweiten und dem dritten Block bietet sich eine erste Bewertungsrunde an.Möglich ist:• ein Test mit Wahlaufgaben aus den verschiedenen Stationen, um das Prinzip der individuellen Themenwahlund Vertiefung nicht zu unterlaufen• Bewertung der bereits erfolgten Schülerpräsentationen• zusätzliche Verfassen von Artikeln für die Schülerzeitung und deren Bewertung• falls nur wenig Zeit zur Verfügung steht kann auch ein Kreuzworträtsel oder ein Multiple-Choice-Test mitzentralen Begriffen und Fragestellungen aus den bearbeiteten Stationen gelöst und bewertet werden.Musterseiten81

Aufgabe: Löse das Kreuzworträtsel! (Beachte dabei, dass ae, oe, ue immer zwei Buchstaben sind undberücksichtige Trennungsstriche.)1. Wie werden 1 000 Einheiten der Leistung einer Maschine in einer Stunde angegeben?2. Welche Kraft ist heute so aktuell wie in der Frühzeit der Elektrizität?3. Wie nennt man es, wenn unnötiger Stromverbrauch vermieden wird?4. Der Prozess, der die Abwärme bei der Energieumwandlung im Wärmekraftwerk nutzt.5. Er soll bei der Energieumwandlung so hoch wie möglich sein.6. Soll so wenig wie möglich in die Umwelt abgegeben werden.7. Energieeinheit8. Mit ihm wird der Übergang von einer Spannungsebene auf eine andere möglich.9. Wenn z. B. die Bewegungsenergie der Luft, in einem Windkraftwerk zu elektrischem Strom wird,nennt man das …10. Wandeln mechanische Energie in elektrische um.11. Wird in erster Linie zu Heizzwecken verwendet, wenn die Wärme tief aus der Erdeherausgepumpt wird.12. Natürlich vorkommende Energieformen, die z. B. in Strom umgewandelt werden.13. Unter hohem Druck stehender Wasserdampf treibt in ihr ein Schaufelrad an.Musterseiten82

Arbeitsblatt 15.3 –Struktur des Energieverbrauchs nach VerbrauchergruppenF: 14 %Handel undGewerbeA: 47 %IndustrieStromverbrauch 2009in Deutschland insgesamt:ca. 542 Mrd. kWhE: 26 %HaushaltMrd.kWh300250D: 2 %LandwirtschaftöffentlicheC: 8 %EinrichtungenB: 3 %VerkehrVervollständige das Balkendiagramm.Nutze dazu die Angaben aus demKreis diagramm und den angegebenenGesamtverbrauch!Musterseiten200150256A: B: C: D: E: F:100500A:IndustrieB:VerkehrC:öffentlicheEinrichtungenD:LandwirtschaftE:HaushaltF:Handel undGewerbeStation 15 – Energiesparen100