Alles rund um energie
Einleitung:
- Energiebedarf à Frage des Lebensstandards
- Fähigkeit, Arbeit zu verrichten
- In einem physikalischen System gespeicherte Arbeit
- Nutzung für Licht, Elektronik, Wärme, Bewegung, ... (Bild 1)
- Verschiedene Energiegewinnungsmöglichkeiten
- Nordamerikaà höchster Energieverbrauch (28%)
- Australien à niedrigster Energieverbrauch (1,5%) (Bild 2)
- Zusammensetzung der verschiedenen Energieträger je nach Region unterschiedlich (Bild 3)
Energiegewinnungsmöglichkeiten
- sich aufbrauchende Energien à z.B. Kohle, Erdgas, Erdöl, Uran, Thorium, .
..
- sich ständig erneuernde Energien (regenerativ) à Sonnenstrahlung, Wind, Wasserkraft, Biomasse, Gezeiten, Erdwärme, ...
1.
1 Gebräuchliche Energiegewinnungsverfahren
1.1.1 Energieerzeugung durch Wärme
- wichtigste Erzeugung der Elektroenergie
- Versorgung von Haushalten, Industrien & öffentl. Einrichtungen
- Erzeugung aus chem. Energie von Stein- & Braunkohle, Müll, Kernenergie
- Erzeugung von fast 50% durch Kohle
- Wärmekraftwerke à komplexe Systeme
- Ablauf von sehr großen Energie- & Stoffumsätzen
- feste Einbindung ins Elektroenergieversorgungsnetz
1.1.
1.1 Nutzung von Kernenergie
- Bindungsenergie zwischen Protonen & Neutronen im Atomkern
- Freisetzung von radioaktiver Strahlung & Wärmeenergie bei der Spaltung von Atomkernen
- Uran & Plutonium spaltbar
- Weltenergieverbrauch bei 6%
- Aufbau eines Kernkraftwerkes (Bild 4)
- Anzahl der Kernkraftwerke ja nach Region (Bild 5)
1.1.1.2 Nutzung von fossilen Brennstoffen
- Fossile Brennstoffe: Braun- und Steinkohle; Erdöl und Erdgas
- Umwandlung in Kraftwerken in elektrische Energie
1.1.
1.2.1 Nutzung von Kohleenergie
- Entstehung von Kohle aus abgestorbenen Pflanzenresten unter besonderen Bedingungen
- Größere Wärmeentwicklung beim Verbrennen von Steinkohle als bei Braunkohle
- leichterer Abbau von Braunkohle
- Vorräte à immer geringer im Laufe der Zeit
- Kohlendioxidausstoß: 40% à 4. Mrd. Tonnen àsehr hoch
- Stärkste Umweltbelastung
- Vorkommen unter Tage
- Reserven & Ressourcen ja nach Region (Bild 6)
1.1.
1.2.2 Nutzung von Erdölenergie
- größte Deckung des weltweiten Energiebedarfs
- flüssiges Gemisch aus Kohlenstoff & Wasserstoff
- Freisetzung der Energie bei Verbrennung
- Vorräte à einige Jahrzehnte
1.1.1.2.
3 Nutzung von Erdgasenergie
- Vorkommen oberhalb von Erdöllagerstätten bzw. Kohlevorkommen
- Energiegewinnung durch Verbrennung
- Am wenigsten umweltschädlich von fossilen Brennstoffen à aber: Freisetzung von Stickoxiden
1.1.2 Energieerzeugung durch Wasserkraft
- wichtiger Beitrag zur Lösung des Weltenergieproblems
- Deckung von 20% des Bedarfs an elektrischer Energie
- Nutzung der Energie von fließenden bzw. gestauten Gewässern
- m.H.
von Turbinen & Generator à Umwandlung in elektr. Energie
- Bedeutend für Konstruktion und Leistung eines Wasserkraftwerkes:
- à Höhe des nutzbaren Gefälles & Durchflussmenge des Wassers
- Unterscheidung in Lauf- und Speicherkraftwerke
- Wasserkraftwerk Xingó in Brasilien (Bild 7)
1.1.2.1 Laufwasserkraftwerke
- Nutzung der Strömungsenergie
- Bestimmung des Standortes (z.B.
an Flüssen, im Flachland, ...) durch große Wasserdurchflussmenge & kleine Fallhöhe
- Erzeugung von kontinuierlich elektrischer Energie wegen relativ stetigem Wasserangebot à Grundlastkraftwerk
- Einsetzung von Kaplanturbinen
- Aufbau eines Laufwasserkraftwerkes (Bild 8)
1.1.2.
2 Speicherkraftwerke
- Errichtung in Gebirgslagen
- Gesammeltes Wasser in hochgelegenen Speicherbecken à durch Rohrleitungen strömend zu Turbinen
- Keine kontinuierliche Nutzung à Spitzenlastkraftwerk
- Einsetzung von Pelton- oder Francisturbinen (Bild9)
- Aufbau eines Speicherkraftwerkes (Bild 10)
1.1.3 Nutzung von Windenergie
- Umwandlung der Strömungsenergie in Elektroenergie
- Windräder à lange Geschichte à Entwicklung verschiedener Rotorformen
- Umformung der Strömungsenergie des Windes in Rotationsenergie an der Rotorwelle
- Mit Rotationsenergie wird zur Erzeugung von Elektroenergie ein Rotor angetrieben
- "Dreiflügler" besonders verbreitet à bester Wirkungsgrad (bestehend aus Faserverbundkunststoff)
- Regelung der Leistung à Verstellung der Rotorblätter
- Querschnitt der Rotorblätter ähnlich der Tragflächen von Flugzeugen
- Umströmung von Wind à Auftriebskraft à Bewegung der Rotorblätter
- Aufbau eines Windrades (Bild 11)
1.1.4 Vor- und Nachteile
- Vorteile - Kernenergie:
- ausreichend zur Verfügung
- umweltschonend bei störungsfreiem Betrieb
- Nachteile:
- Betriebskosten sehr hoch
- Starke radioaktive, gefährliche Strahlung
- Förderung & Transport à Lärm & Staub
- Förderung mit Eingriffen in die Natur
- Vorteile - fossile Brennstoffe:
- Billig
- Unkompliziert
- Viel Energie pro Einheit Brennstoff
- Nachteile:
- Schadstofffreisetzung bei Verbrennung
- Abhängigkeit von Förderländern
- Keine unbegrenzten Reserven
- Vorteile -Wasserenergie:
- kein Verbrauch natürlicher Ressourcen
- keine Emission von Schadstoffen, nur geringe Abwärme
- sehr ökologisch
- lange Lebensdauer einer Anlage
- Nachteile:
- Hohe Investitionskosten
- Durch Großanlagen à fruchtbares Ackerland verlorenàirreparable Eingriffe in die Natur
- Grundwasserspiegel steigt
- Störung der Lebensraumes vieler Wassertiere
- Vorteile - Windenergie:
- erneuerbare Energiequelle
- keine Freisetzung von Schadstoffen à keine Gefahr für Mensch und Umwelt
- niedrige Wartungs- & Betriebskosten
- Nachteile:
- Landschaftsveränderung
- Nicht überall gut einsetzbar
- Schwankende Energieerzeugnisse
- Hohe Investitionskosten
1.2 gegenwärtige Alternativen
1.
2.1 Nutzung von Sonnenenergie
- Versorgung der Erdoberfläche mit 1000 W/m2 Strahlungsleistung in form v. Wärme & Licht
- Nutzung der Energie mit modernen Techniken
- Erzeugung von Elektroenergie & Warmwasserbereitung
- Fotovoltaikanlagen à Umwandlung direkt in Elektroenergie à zentrale Bauelemente: Solarzellen ß Energieumwandlungen
- Schaltung mehrer Zellen in Reihe à Spannung von 12 bzw. 24 Volt
- Solarenergie à in Solarstromsystemen direkte Umwandlung in elektrische Energie
1.2.2 Nutzung von Biomasse
- Gesamtheit aller lebenden, toten & zersetzten Organismen
- Entstehung durch Fotosynthese à gespeicherte Sonnenenergie
- 3 Arten von Biomasse: 1.
nachwachsende Rohstoffe (z.B. Raps, Mais), 2. organische Neben- & Reststoffe (z.B. Stroh), organische Abfallstoffe (z.
B. Gülle, Holzspäne)
- Verwendung von Ölfrüchten, stärke- & zuckerhaltigen Pflanzen, land- & forstwirtschaftliche Abfälle, ...
- Bei Verbrennung à Umwandlung in Wärme & Strom à in modernen, effektiven Anlagen
- Verfaulung organischer Stoffe unter Luftabschlussà Biogas
- Nutzung von Biogas in Biogasanlagen
- Blockheizkraftwerk: Faulbehälter, Rühr- & Pumpvorrichtung, Gasspeicher, Biogasverbraucher ß Verbrennung des Gases
- Aufbau eines Kleinstkraftwerkes (Bild 12)
- Prinzip zur Gewinnung der Grundstoffe um Energie aus Biomasse zu gewinnen (Bild 13)
1.3 zukünftige Alternativen
1.
3.1 Nutzung von Wasserstoff
- zum Betrieb von Brennstoffzellen oder Blockheizsystemen
- umweltfreundliche Energiegewinnung
- keine ??? Energiequelle à geeignetes Speichermedium
- in Solar-Wasserstoffanlagen à Umwandlung in Elektroenergie
- Speicherung von Wasserstoff in Solar-Wasserstoffanlagen à kontinuierlich arbeitend unabhängig von Jahres- bzw. Tageszeit
- Von dort Transport zum Nutzer
- Zur Nutzung à Umwandlung der chemischen Energie in Elektroenergie, Wärmeenergie, mechanische Energie
- Solar-Wasserstoff-Technik noch in Entwicklung
1.3.2 Nutzung von Erdwärme
- zwei Quellen: 1. Restwärme des ehemals glühenden Feuerballs (30%)
- 2.
Neuproduktion von Wärmenergie durch Zerfall von
natürlichen radioaktiven Elementen in der Erdkruste (70%)
- wichtigste Rolle von regenerativen Energien (Bild 14)
- Verfügung in Heißdampf-, Heißwasser- & Heißgesteinlagerstätten
- Verfahren: hydrothermale Geothermie, geothermische Kraftwerke, Hot-Dry-Rock-Verfahren
- hydrothermale Geothermie:
à Nutzung von heißem Tiefenwasser
à Tauchpumpe hebt das Wasser
à Übertragung der Wärme durch Wärmetauscher auf Heißwasserkreislauf
- geothermisches Verfahren:
à Aufbau wie Wärmekraftwerk
àLeitung von überhitztem Dampf auf Turbinenschaufeln
à Antreibung der Turbine à Generator
- Hot-Dry-Rock-Verfahren
à Nutzung des tief gelegenen, heißen & trockenen Gesteins
à Leitung unter hohem Druck in eine Erdbohrung
àVerdampfung durch Erdwärme
à über zweite Leitung an Oberfläche zur Turbine
- Nutzung der Erdwärme vom Berliner Reichstagsgebäude
1.3.3 Nutzung von Methan-Hydrat
- riesige Vorkommen mehrere 1000 m unter dem Meeresboden
- eisähnliche Verbindung aus Methan & Wasser
- m3 Methaneis enthält ca. 160 m3 Methangas
- Versuch mit Ölfördertürmen vorzudringen
Quellenangabe:
- Schuh, Bernd: Das visuelle Lexikon der Umwelt; Gerstenberg Verlag; 2001
- Prof. Dr. Hartmann, Elke; Prof.
Dr. Hein, Christian: Basiswissen Schule-Technik; 2001
- Autorenkollektiv: Wie? Warum? Weshalb?; Verlag Das Beste; 1991
- Schulz, Wolfgang; Zapke, Wilfried: Die neue Energieeinsparverordnung; Forum Verlag; 2004
- Meyers Lexikonredaktion: Meyers neues Lexikon-Band 3; Meyers Lexikonverlag; 1994
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