Aufgaben: Gewinnung elektrischer Energie und Energiesparen

Was ist ein Kraftwerk? Erkläre mit eigenen Worten, was dort gemacht wird: Woher kommt der Strom, den es erzeugt?

In einem Wasserkraftwerk gibt es einen Stausee mit in der Höhe gespeichertem Wasser, wie in der Abbildung.

Erkläre, woher dieses Kraftwerk seine Energie bezieht und welches Gerät sich bewegt, wenn das Wasser herabfällt.

Betrachte die Windkraftanlage in der Abbildung:

Was bewegt die Rotorblätter einer Windkraftanlage? Welche Energie nutzt ein Windkraftwerk? An welchen Orten werden diese Windräder deiner Meinung nach aufgestellt?

Solarmodule auf Dächern und an Satelliten erzeugen Strom, ohne sich zu bewegen und ohne Lärm, wie das in der Abbildung.

Welche Energie nehmen sie auf und in welche wandeln sie sie um?

Ordne diese Energiequellen in erneuerbare und nicht erneuerbare ein: die Sonne, der Wind, die Kohle, das Wasser eines Stausees, das Erdgas und das Uran. Erkläre, worin der Unterschied zwischen den beiden Gruppen besteht.

Bringe diese Stationen des Wegs des Stroms bis zu dir nach Hause in die richtige Reihenfolge: die Steckdosen in deinem Zimmer, das Kraftwerk, die Leitungen der Hochspannungsmasten. Erkläre, was in jeder Station passiert.

Warum spart es Energie, das Licht auszuschalten, wenn man einen Raum verlässt, auch wenn die Glühlampe klein ist? Erkläre es, indem du überlegst, wie lange sie eingeschaltet ist.

Eine LED-Lampe von $10\ \text{W}$ liefert genauso viel Licht wie eine alte Glühlampe von $60\ \text{W}$.

1. a) Welche verbraucht weniger Energie für dieselbe Lichtmenge?
2. b) Wie viel mal mehr verbraucht die alte als die LED?

In einem Wärmekraftwerk laufen diese Vorgänge ab, aber sie sind durcheinander: Der Dampf treibt eine Turbine an; Kohle wird verbrannt; der Generator erzeugt Strom; die Wärme erhitzt Wasser und verwandelt es in Dampf.

1. a) Bringe die Kette vom Anfang bis zum Ende in die richtige Reihenfolge.
2. b) Welche Energieform ist in der Kohle gespeichert, bevor sie verbrannt wird?

Ein Kernkraftwerk erhitzt Wasser wie ein Wärmekraftwerk, aber ohne etwas zu verbrennen.

1. a) Welchen „Brennstoff“ nutzt ein Kernkraftwerk?

1. b) Nenne einen Vorteil und einen Nachteil dieser Art von Kraftwerk.

Nenne einen Vorteil und einen Nachteil jedes dieser Kraftwerke: des Windkraftwerks und des Solarkraftwerks. Denke daran, was an windstillen Tagen und nachts geschieht.

Beschreibe den gesamten Weg des Stroms vom gestauten Wasser einer Staumauer bis zur Lampe auf deinem Nachttisch und nenne dabei alle Schritte: was sich beim Herabfallen des Wassers bewegt, welches Gerät den Strom erzeugt und wie er zu dir nach Hause gelangt.

Ein Dorf möchte sich ausschließlich mit Solarmodulen versorgen.

1. a) Welches Problem wird es nachts und an sehr bewölkten Tagen haben?
2. b) Schlage zwei Lösungen vor, damit es auch in diesen Zeiten Licht gibt.

Im Wohnzimmer eines Hauses brennen $5$ Glühlampen.

1. a) Wenn es alte Lampen mit je $60\ \text{W}$ sind, welche Leistung verbrauchen sie insgesamt?
2. b) Wenn sie durch LED-Lampen von $10\ \text{W}$ ersetzt werden, die gleich viel Licht liefern, welche Gesamtleistung verbrauchen sie dann?
3. c) Wie viel Leistung wird durch den Austausch gespart?

Der mit der Fernbedienung ausgeschaltete Fernseher behält ein rotes Lämpchen, das leuchtet: Das ist der Verbrauch im Bereitschaftsmodus oder „Stand-by“.

1. a) Glaubst du, dass er Energie verbraucht, obwohl er ausgeschaltet scheint? Begründe deine Antwort.

1. b) Wie würdest du erreichen, dass er gar nichts verbraucht, ohne den Fernseher auseinanderzubauen?

Ein Handyladegerät, das in der Steckdose steckt, verbraucht auch ohne angeschlossenes Handy $1\ \text{W}$.

1. a) Wie viele Stunden steckt es in der Steckdose, wenn man es eine ganze Woche lang nicht herauszieht?
2. b) Welche Energie verbraucht es in dieser Woche, in $\text{Wh}$? Tipp: Multipliziere die Leistung mit der Zeit.

Ein Tal mit einem wasserreichen Fluss möchte seinen eigenen Strom erzeugen und schwankt zwischen einem Wasserkraftwerk mit Staumauer und einem Gaskraftwerk.

1. a) Nenne einen Vorteil jeder Möglichkeit.
2. b) Nenne einen Nachteil jeder Möglichkeit.
3. c) Welche würdest du für das Tal wählen? Begründe deine Wahl mit den vorherigen Antworten.

In der Natur finden wir kaum „freien“ Strom, der einsatzbereit wäre, außer bei Blitzen: Man muss ihn herstellen, indem man andere Energieformen umwandelt.

1. a) Schreibe die vollständige Umwandlungskette eines Wärmekraftwerks auf, von der in der Kohle gespeicherten Energie bis zum Strom.
2. b) Erkläre mit dieser Kette, warum wir sagen, dass Strom sehr bequem zu nutzen ist, man ihn aber immer mit einer anderen Energie „bezahlen“ muss.

Nadias Familie installiert Solarmodule auf dem Dach, bleibt aber ans Stromnetz angeschlossen.

1. a) Warum trennen sie sich nicht ganz vom Netz?
2. b) Was passiert deiner Meinung nach mit der Energie, die ihnen an einem sonnigen Mittag übrig bleibt?
3. c) Welchen Vorteil hat es, zusätzlich zu den Solarmodulen am Netz zu bleiben?

Der Internet-Router verbraucht $10\ \text{W}$ und ist den ganzen Tag, an jedem Tag des Jahres eingeschaltet.

1. a) Wie viel Energie verbraucht er an einem Tag, in $\text{Wh}$?
2. b) Wie viel verbraucht er in einem Jahr mit $365$ Tagen, in $\text{Wh}$?
3. c) Rechne das Jahresergebnis in $\text{kWh}$ um, wobei gilt: $1\ \text{kWh} = 1000\ \text{Wh}$.

Anna sagt: „Wir sollten den gesamten Strom mit erneuerbaren Energien erzeugen.“ Bruno antwortet: „Das geht nicht, weil Sonne und Wind manchmal ausfallen.“

1. a) Erkläre, worin jeder von beiden recht hat.
2. b) Nenne zwei Möglichkeiten, Energie zu speichern oder zu beschaffen für die Zeiten, in denen Sonne und Wind ausfallen.
3. c) Mit welcher Meinung stimmst du eher überein? Begründe deine Antwort.

Elektrogeräte tragen ein Energielabel mit einem Buchstaben, von A (die sparsamsten) bis G (die mit dem höchsten Verbrauch), wie das in der Abbildung.

1. a) Welchen von zwei gleich großen Kühlschränken, einem der Klasse A und einem der Klasse F, würdest du im Hinblick auf die Stromrechnung kaufen?
2. b) Der der Klasse A kostet beim Kauf mehr; warum kann er sich auf lange Sicht lohnen?
3. c) Warum ist die Effizienz gerade beim Kühlschrank so wichtig, der $24$ Stunden am Tag eingesteckt ist?

Verfasse einen Energiesparplan für deine Schule mit vier Maßnahmen (denke an Licht, Heizung, Computer und Rollläden).

1. a) Erkläre, warum jede Maßnahme Energie spart.
2. b) Welche deiner Maßnahmen spart deiner Meinung nach am meisten? Begründe deine Antwort.

Eine Region erzeugt ihren Strom so: $40\ \%$ in Wasserkraftwerken, $30\ \%$ in Windkraftanlagen, $20\ \%$ in Solarkraftwerken und $10\ \%$ in einem Wärmekraftwerk. Betrachte das Diagramm:

1. a) Welcher Prozentsatz des Stroms ist erneuerbar?
2. b) Wenn die Region $2000\ \text{GWh}$ pro Jahr erzeugt, wie viele $\text{GWh}$ entfallen auf die Windkraft?
3. c) Wie viele $\text{GWh}$ erneuerbaren Strom erzeugt sie insgesamt?

Herausforderung zum Thema. Werde zum Energieberater deines Zuhauses! Um das Gelernte zu festigen, untersuchst du in drei Phasen die Elektrizität von der atomaren Ebene bis zum Stromnetz des Landes:

1. Elektrisieren und Messen: Reibe einen Kugelschreiber an Wolle und miss mit einem Lineal den größten Abstand $d$, aus dem er Papierkonfetti anzieht ($5$ Wiederholungen). Berücksichtige die Messunsicherheit des Instruments ($\pm 0,1\text{ cm}$), trage die Daten mit dem Mittelwert in eine Tabelle ein, zeichne das Streudiagramm und erkläre, welche Teilchen übertragen werden.

2. Stromkreise im Haushalt: Zeichne den genormten Schaltplan zweier Glühlampen in deinem Haus, die von einem Schalter gesteuert werden. Begründe, ob die Schaltung nach ihrer praktischen Funktion eine Reihen- oder eine Parallelschaltung sein muss.

3. Strommix und Energiesparen: Suche auf der Website der Bundesnetzagentur (SMARD) den heutigen Anteil (\%) der erneuerbaren Stromerzeugung. Ermittle dann die Leistung eines Elektrogeräts in deiner Küche, berechne seinen geschätzten monatlichen Verbrauch ($E = P \cdot t$, in $\text{kWh}$) und formuliere zwei realistische, begründete Sparmaßnahmen.

Präsentiere deine Arbeit in einem kurzen Bericht mit den Berechnungen, dem Diagramm und dem Schaltplan.

Bewertet wird:

• Sorgfalt bei der Aufnahme der Messwerte zu Hause, Angabe der Messunsicherheit ($\pm 0,1\text{ cm}$) und grafische Darstellung.

• Inhaltliche und symbolische Richtigkeit im Schaltplan.

• Sorgfältige Entnahme der Daten und physikalische Umsetzbarkeit der vorgeschlagenen Sparmaßnahmen.