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Realschule 9 · Physik
Informationsübertragung und Felder in Klasse 9 · Energie, Klima und Argumentation

Treibhauseffekt und Energieversorgung

Im Sommer steigst du in ein Gewächshaus im Botanischen Garten und merkst sofort: Hier drinnen ist es viel wärmer als draußen, obwohl keine Heizung läuft. Warum? Und was hat das mit dem Klima der ganzen Erde zu tun? Am Ende dieser Seite kannst du beides erklären und begründet beurteilen, wie unsere Energieversorgung aussehen sollte.

Der natürliche Treibhauseffekt

Die Sonne strahlt Energie zur Erde. Ein Teil davon ist sichtbares Licht. Es geht fast ungehindert durch die Atmosphäre und erwärmt den Erdboden.

Der warme Boden gibt selbst Energie ab, und zwar als Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung). Diese Strahlung wird in der Atmosphäre zum Teil von Treibhausgasen aufgenommen und wieder in alle Richtungen abgegeben, auch zurück zum Boden. So bleibt ein Teil der Energie in Bodennähe.

Sonnenlicht erreicht die Erde, Infrarotstrahlung wird teilweise von der Atmosphäre zurück zum Boden gestrahlt Atmosphäre mit Treibhausgasen Erdboden Sonnenlicht Infrarot ins Weltall zurück zum Boden

Ohne diesen natürlichen Treibhauseffekt wäre es auf der Erde im Mittel etwa $-18\,°\text{C}$ kalt. Mit ihm sind es etwa $+15\,°\text{C}$. Er ist also die Voraussetzung für Leben, wie wir es kennen.

Das Gewächshaus als Modell

Ein Gewächshaus ist ein Modell: Das Glas lässt Licht hinein. Der Boden und die Pflanzen werden warm und senden Infrarotstrahlung aus, die das Glas kaum durchlässt. Die Grenzen des Modells: Im Gewächshaus staut sich die warme Luft, weil sie nicht aufsteigen und wegströmen kann (Konvektion wird verhindert). In der Atmosphäre wirken dagegen bestimmte Gase, die Strahlung aufnehmen und wieder abgeben. Außerdem hat die Erde keine feste Glasdecke, sondern eine nach oben immer dünnere Gashülle.

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Erkläre mit eigenen Worten, was man unter dem natürlichen Treibhauseffekt versteht.

Erkläre mit eigenen Worten, was man unter dem natürlichen Treibhauseffekt versteht.

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Ein Gewächshaus dient als Modell für den Treibhauseffekt. a) Beschreibe, welche Strahlung durch das Glas hereinkommt und welche nicht so leicht hinausgelangt. b) Nenne…

Ein Gewächshaus dient als Modell für den Treibhauseffekt.

  1. a) Beschreibe, welche Strahlung durch das Glas hereinkommt und welche nicht so leicht hinausgelangt.
  2. b) Nenne zwei Unterschiede zwischen Gewächshaus und Erdatmosphäre (Grenzen des Modells).
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Der verstärkte Treibhauseffekt

Beim Verbrennen von Kohle, Erdöl und Erdgas entsteht $\text{CO}_2$. Auch Wälder, die gerodet werden, speichern kein $\text{CO}_2$ mehr. Dadurch steigt der $\text{CO}_2$-Gehalt der Atmosphäre. Mehr Treibhausgase halten mehr Infrarotstrahlung zurück: Die Erde erwärmt sich zusätzlich. Das nennt man den anthropogenen (vom Menschen verursachten) Treibhauseffekt.

Treibhausgas wichtige Quelle
Kohlenstoffdioxid $\text{CO}_2$ Verbrennung von Kohle, Öl, Gas; Verkehr
Methan $\text{CH}_4$ Rinderhaltung, Reisanbau, Erdgasleckagen
Distickstoffmonoxid (Lachgas) $\text{N}_2\text{O}$ Düngung in der Landwirtschaft

Folgen der Erwärmung sind zum Beispiel schmelzende Gletscher, steigender Meeresspiegel (Nordsee, Wattenmeer) und häufigere Extremwetter wie Starkregen oder Hitzewellen.

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Nenne drei Treibhausgase und je eine wichtige Quelle, aus der sie in die Atmosphäre gelangen.

Nenne drei Treibhausgase und je eine wichtige Quelle, aus der sie in die Atmosphäre gelangen.

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Verfasse einen kurzen Sachtext (etwa 120 Wörter) für die Schülerzeitung, der erklärt, wie die Nutzung fossiler Energieträger den Treibhauseffekt verstärkt. Verwende…

Verfasse einen kurzen Sachtext (etwa 120 Wörter) für die Schülerzeitung, der erklärt, wie die Nutzung fossiler Energieträger den Treibhauseffekt verstärkt. Verwende mindestens die Begriffe CO₂, Infrarotstrahlung, Erwärmung und Energiewende.

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Energieträger und Anteile in Diagrammen

Erneuerbare Energieträger erneuern sich in menschlichen Zeiträumen: Sonne (Photovoltaik, Solarthermie), Wind, Wasserkraft, Biomasse, Geothermie. Nicht erneuerbare Energieträger sind in Millionen Jahren entstanden und werden verbraucht: Steinkohle, Braunkohle (im Rheinischen Revier), Erdöl, Erdgas und Uran.

Beim Verbrennen fossiler Träger entsteht $\text{CO}_2$, bei Wind und Sonne im Betrieb nicht.

Anteile berechnen und darstellen

Zur Darstellung von Anteilen eignet sich ein Kreisdiagramm (ein Ganzes, in Teile zerlegt) oder ein Säulendiagramm (gut zum Vergleichen, auch über mehrere Jahre). In einer Tabellenkalkulation gehst du so vor: Energieträger in Spalte A und Anteile in Spalte B eintragen, beide Spalten markieren, „Diagramm einfügen" wählen, den Diagrammtyp auswählen, dann Titel und Achsenbeschriftung („Anteil in %") ergänzen.

Säulendiagramm der Anteile an der Stromerzeugung: Wind 31, Kohle 24, Gas 12, Photovoltaik 12, Biomasse 9, Sonstige 12 Prozent Wind Kohle Gas PV Bio Sonst. 31 24 12 12 9 12 Anteil in %
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Nenne drei erneuerbare und drei nicht erneuerbare Energieträger.

Nenne drei erneuerbare und drei nicht erneuerbare Energieträger.

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Die Stromerzeugung eines Jahres in Deutschland (vereinfachte Zahlen) verteilt sich so: | Energieträger | Anteil in % | |---|---| | Windkraft | 31 | | Kohle | 24 | |…

Die Stromerzeugung eines Jahres in Deutschland (vereinfachte Zahlen) verteilt sich so:

Energieträger Anteil in %
Windkraft 31
Kohle 24
Erdgas 12
Photovoltaik 12
Biomasse 9
Sonstige 12
  1. a) Berechne den Anteil der erneuerbaren Energieträger (Wind, Photovoltaik, Biomasse).
  2. b) Beschreibe, welche Diagrammart sich zur Darstellung eignet, und wie man sie mit einer Tabellenkalkulation erstellt.
  3. c) Berechne, wie viele TWh aus Kohle stammen, wenn insgesamt $500\,\text{TWh}$ erzeugt wurden.
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Ein großes Problem zerlegen

„Wie sieht die Energieversorgung der Zukunft aus?" ist zu groß, um sie auf einmal zu beantworten. In der Physik zerlegt man ein solches Problem in Teilprobleme, die man einzeln untersuchen kann.

Themenbereich Beispiel-Teilfrage
Erzeugung Wie viel Strom können Windräder und Photovoltaik in NRW liefern?
Speicherung Wie versorgt man Haushalte bei Windstille und Nacht? (Pumpspeicherwerk, Batterien)
Verbrauch Wo lässt sich Energie sparen (Gebäude, Verkehr, Geräte)?
Kosten Was kostet eine Kilowattstunde, was der Netzausbau?

Jede Teilfrage lässt sich mit Daten, Rechnungen oder Experimenten bearbeiten. Am Ende setzt man die Antworten wieder zusammen.

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Zerlege die Frage „Wie kann die Energieversorgung der Zukunft in Nordrhein-Westfalen aussehen?“ in mindestens vier Teilfragen und ordne sie nach Themenbereichen…

Zerlege die Frage „Wie kann die Energieversorgung der Zukunft in Nordrhein-Westfalen aussehen?“ in mindestens vier Teilfragen und ordne sie nach Themenbereichen (Erzeugung, Speicherung, Verbrauch, Kosten).

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Begründet argumentieren und bewerten

Bei Fragen wie „Windpark am Stadtrand: ja oder nein?" gibt es keine einzige richtige Antwort. Du bewertest nach Kriterien: physikalisch-technisch, wirtschaftlich, ökologisch (auch mit Blick auf das Klima). Gute Argumente haben eine Behauptung, eine Begründung und, wenn möglich, ein Beispiel oder eine Zahl.

Pro Kontra
Im Betrieb entsteht kein $\text{CO}_2$; der Wind ist erneuerbar. Die Leistung schwankt mit dem Wind, Speicher oder Reservekraftwerke sind nötig.
Die Energie wird vor Ort erzeugt. Lärm und Schattenwurf können Anwohner stören.
Windräder in der Eifel oder im Sauerland nutzen gute Windlagen. Vögel und Fledermäuse können gefährdet werden; die Landschaft verändert sich.

Diagramme richtig deuten

Ein Diagramm zeigt oft nur eine Größe. Sinkt der Anteil der Kohle, kann die absolute Menge trotzdem gleich bleiben oder steigen, wenn insgesamt mehr Strom erzeugt wird. Außerdem stammt das $\text{CO}_2$ nicht nur aus der Stromerzeugung (Verkehr, Heizen, Industrie) und bleibt lange in der Atmosphäre. Um die Klimawirkung zu beurteilen, braucht man daher die absoluten Mengen ($\text{CO}_2$ in Tonnen pro Jahr), alle Quellen und die Entwicklung über Jahrzehnte.

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Eine Stadt in NRW diskutiert den Bau eines Windparks am Stadtrand. a) Sammle drei Pro- und drei Kontra-Argumente mit physikalischem oder technischem Bezug. b) Formuliere…

Eine Stadt in NRW diskutiert den Bau eines Windparks am Stadtrand.

  1. a) Sammle drei Pro- und drei Kontra-Argumente mit physikalischem oder technischem Bezug.
  2. b) Formuliere eine begründete eigene Entscheidung und gehe auf ein Gegenargument ein.
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Ein Diagramm (hier nicht abgebildet) zeigt, dass der Anteil der Kohle an der Stromerzeugung sinkt, während der CO₂-Gehalt der Atmosphäre weiter steigt. a) Nenne zwei…

Ein Diagramm (hier nicht abgebildet) zeigt, dass der Anteil der Kohle an der Stromerzeugung sinkt, während der CO₂-Gehalt der Atmosphäre weiter steigt.

  1. a) Nenne zwei Gründe, warum beide Entwicklungen gleichzeitig auftreten können.
  2. b) Erläutere, warum der Anteil in Prozent allein nicht aussagt, wie viel CO₂ ausgestoßen wird.
  3. c) Gib an, welche zusätzlichen Informationen du bräuchtest, um die Klimawirkung zu beurteilen.
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Zurück zum Anfang: Im Gewächshaus bleibt die Wärme, weil das Licht herein kann, die Infrarotstrahlung aber kaum hinaus. Die Atmosphäre wirkt ähnlich. Verstärken wir den Effekt durch zusätzliche Treibhausgase, erwärmt sich die Erde mehr, und deshalb setzen wir auf Energiewende und Energiesparen.

Auf einen Blick

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