LOGIN | NEU REGISTRIEREN

Schule > Physik > Elektrizität und Energie > Energie > Hausaufgabe: Energie

Projektorientierter Unterricht im Fach WPB Biologie/ Chemie

Franziska Sitter Klasse 9a
April/Mai 2005
Thema: Energie

Inhaltliche Gliederung und Schwerpunkte:
Chemie
Was ist Energie?
Begriff „Energie“
Energieformen
Energieumwandlung (incl. Wirkungsgrad)
Energiespeicherung
Energietransport
Energie aus der Erde
Kohle, Erdöl und Erdgas als fossile Brennstoffe
Kernenergie
Energiewirtschaft
Sonnenenergie
Solartechnik
Fotovoltaik
Energie aus Wasser und Wind
Wasserkraftwerk
Windkraftwerke
Biologie
Energie und Lebensvorgänge
Zellatmung, Gasaustausch -> Pflanzen atmen
Fotosynthese
Gärungsvorgänge
Energie aus nachwachsenden Rohstoffen
Biokraftstoffe
Chemie
1) Was ist Energie?

a) Begriff „Energie“
Energie ist ein grundlegener Bergriff der Naturwissenschaften, der es erlaubt, Erscheinungen und Gesetzmäßigkeiten besser zu verstehen. Energie ist überall. Verschiedene Vorgänge wie ein fallender Stein oder das Strahlen der Sonne ist erst vor 150 Jahren unter dem Gesichtspunlt Energie entgültig bestätigt worden.
b) Energieformen
mechanische Energie Lagenergie kann man einem Körper geben indem man ihn hebt (potentielle Energie).
Ein Kraftwerk eines Stausees durch Herabfallen des Wassers in Bewegung gesetzt -> Bwewgungsenergie (kinetische Energie) thermische Energie z.Bsp: glühende Kohle kann durch die hohe Temperatur die Umgebung erwärmen Elektrische Energie Generatoren, Solarzellen erzeugen oder wandeln Energie um Chemische Energie Durch Verbrennung oder beim Stoffwechsel kann man Energie nutzen (Kohle, Erdöl, Pflanzen) Strahlungsenergie Licht, Röntgen- oder radioaktive Strahlung; kommt ais Atomen Kernenergie Durch Spaltung von Atomkernen gewonnen (Nuklearenergie)
c) Energieumwandlungen (incl. Wirkungsgrad)
Energieerhaltungssatz: „Die Gesamtenergie bleibt gleich. Es finden lediglich Umwandlungen zwischen unterschiedlichen Energieformen statt.
Im Alltag: viel Verlust von Energie
Die Umwandlungsenergie hat keinen Gebrauchswert mehr

Der Wert der Energie richtet sich nach:
Wie gut sie sich nutzen lässt
Wie gut sie sich speichern lässt
Wie leicht sie transportiert werden kann
Bei der Nutzung der Energie tritt eine Umwandlung auf
Wirkungsgrad
Wie gut sich die Energie nutzen lässt, hängt vom Wirkungsgrad ab.
Wirkungsgrad: Als Wirkungsgrad bezeichnet man den Anteil der Nutzenergie an der ursprünglichen aufgewandten Energie bei Prozessen der Energieumwandlung.
Das Formelzeichen für den Wirkungsgrad ist ( (Eta) und er wird in Prozenten oder in einer Zahl angeben.
Errechnet wird es mit der Formel: ( = Enutz

E auf
elektrische Energie Vorteil: mit hohem Wirkungsgrad direkt in andere Energieformen umwandeln, leichter Transport.
Bei Umwandlungen in thermische oder mechanische Energie kann der Wirkungsgrad von 100% erreicht werden. mechanische Energie Hochwertige Energieform
Kann mit Wirkungsgrad von 90% in elektrische Energie umgewandelt werden Chemische Energie Hochwertig
Lässt sich gut speichern und transportieren (z.Bsp.: Erdöl in Pipelines)
Durch Verbrennung kann man hohe Temperaturen erhalten Thermische Energie Geringwertig
Umwandlung mit geringen Wirkungsgrad in andere Energieform
Umwandlung: Dampfkessel, Dampfturbine, Generator
Thermische Energie hat besonders geringen Wert, wenn der Wärmespeicher eine niedrige Temperatur hat
Bei fast allen Energieumwandlungen treten Energieverluste auf (Reibung, Erwärmung, Entstehung von Abgasen) -> es wird Wärme abgegeben
d) Energiespeicherung
Energieform Speicherfähigkeit Beispiele Potentielle Energie Sehr gut Pumpspeicherwert
Talsperren Kinetische Energie Gering, nur kurz Schwungbänder
Durch Reibung wird die Bewegung gestoppt und zu thermische Energie Chemische Energie Sehr gut Akkumulator
Erdöl, Erdgas Thermische Energie Gering, nur kurzzeitig Heizung, Thermosgefäß
Wärme wird schnell in kältere Umgebung abgegeben Elektrische Energie Sehr schlecht Kondensator Strahlungsenergie keine -
e) Energietransport

Energie kann auf verschiedene Arten übertragen werden:
Durch Leitung (elektrischer Strom, Seil, Stange)
Durch Mitführung (Kohle, Öl, Nahrung)
Durch Strahlung (Licht, Schall)
Energieversorgung bedeutet, dass Primärenergien in vielfältiger Weise in Nutzenergien umgewandelt werden.
Primärenergie = die Energie der unterschiedlichen Energieträger, wie man sie in der Natur vorfindet (Kohle, Erdöl, Wasser, Wind, Licht)
Sekundärenergie = Energie die in Kraftwerken aus Primärenergie gewonnen wird (Brennstoffe, Wärme, Strom)
Nutzenergie = die 3. Stufe, damit zur Energieversorgung für den Menschen
Bei der Umwandlung von Primären- zur Nutzenergie entstehen Verluste durch technische Verringerung z.B. Wärmedämmung
Andere Verluste sind physikalisch Bedingt und nicht zu vermeiden
2) Energie aus der Erde
a) Kohle Erdöl und Erdgas als fossile Brennstoffe

Entstehung:
Im Laufe der letzten Mio. Jahre
Abgestorbene Bäume und anderer Pflanzen versanken in Sümpfen und verfaulten
Die entstehenden Ablagerungen werden zusammengepresst (Druck und hohe Temperaturen)
( Entstehung von Braunkohle (jünger) und Steinkohle (älter)
Erdöl und Erdgas entstand aus Kleinlebewesen von Gewässergrund
Hauptbestandteil: Kohlenstoff (C)

Kohle:
Verwendung seit Jahrhunderten als heizmittel
Größten Kohlenförderer: China, USA; Russland, Deutschland, Australien…
Wird bis zu 1500 m Tiefe gewonnen (Steinkohle)
Durch Nutzung von Kohle ( Siegeszug der Dampfmaschine

Verbrennung von fossilen Brennstoffen:
C + O2 ( CO2 + Energie

Umweltbelastung:
CO2 natürlicher Bestandteil in der Atmosphäre (0,036%)
CO2 Beeinflusst das Klima entscheidend
Durch Verbrennung Konzentration von 0,028% auf 0,036% (100 Jahre)
( Treibhauseffekt, dadurch steigt die globale Temperatur gering an
Abschmälzen der Polkappen ist die Folge
( Meeresspiegel erhöht sich ( Landschaften werden überschwemmt
Deshalb soll der CO2 Ausstoß verringert werden ( weltweite Klimakonferenzen
Luftverschmutzung wird durch Fehlertechnik in Industriestromstudien gestoppt
Waldsterben ist die Folge des sauren Regens
Mit dem Regen gelangen die Luftfahrtstoffe direkt in die Umwelt
Schwefeloxid aus Kraftwerken haben große Langzeitwirkung
Auftreten von Smogs in Städten ist auf Kohlenkraftwerk zurückzuführen
Weltweit rechtliche Vorschriften für Filtersysteme können die globale Schadstoffbelastung stoppen

Umweltfreundliche Kohlenverbrennungsstofftechnik:

Wirbelschichtfeuerung:
Kohle wird zermahlen
Bei Verbrennung wird Kalk zugeführt
Dieser bildet mit der Luft aus Schwefel Gips
95% Entschwefelung
Temperaturen: 800°C-900°C / normal 1500°C
Stickstoffoxide entstehen erst bei 900°C und bei höhrer Temperatur

Erdöl:
Wichtigster Primärenergieträger, als Treibstoff eingesetzt wichtig für chemische Industrie
Wenig Energiekraftwerke in Deutschland mit Öl - begrenzte Vorräte
Besteht aus Kohlenwasserstoffverbindung
Wird als Rohöl aus 200m gefördert
Ölfelder oft am Meer
In Ölraffinerien durch chemische Verfahren nutzbare Bestandteile getrennt
Benzin, Diesel, Schmieröl, Petroleum, Teer, Bitum

Erdgas:
Aus Erde gewonnen
Mischung von Gasen (vor allem Kohlenwasserstoffe)
Lagert in porösem Gestein wie in einem Schwamm
Als Flüssiggas lässt es sich in Spezialbehältern transportieren
b) Kernenergie/Kernkraftwerke
Uran als Spaltmaterial in Kraftwerken
20 Atomkraftwerke in Deutschland=1/3 der Stromversorgung
Atomkraftwerke geben geringe Mengen radioaktiver Stoffe in die Imwelt
Störfälle sind G AU und Super-G AU Durchschmilzen des Reaktorbehälters
Atommüll kann über Hunderttausend Jahre strahlen, man weiß aber nicht wo man ihn sicher lagern kann
Staaten mit Atomkraftwerken können aus dem Material leicht Kernwaffen herstallen
Durch viele kriegerische Konflikte im zusätzliges, unberechenbares Risiko
Wie funktioniert ein Atomkraftwerk?
Es gibt Atomkraftwerke von chemischen Elementen, wie den des Urans, die sich durch Beschuss einem Neutron in zwei etwas gleich große Kerne spalten lassen.
Uransorte: Uran-235
Vorkommen: in natürlichen Uran, welches man aus Erzen gewinnt, mit einem Anteil von 0,7%
Für die Verwendung in Kernkraftwerken muss der Anteil auf 3%-5% speziell angerichtet werden
Bei der Spaltung radioaktiver Strahlung und thermische Energie
1983 Kernspaltung von Otto Hahn und Friedrich Strassmann entdeckt
1945 mit Atombombe das erste Mal angewandt
Atombombe
Ingangsetzten einer unkontrollierten Spaltung
(mit genügend spaltbares Uran lawinenartige Kettenreaktionen
(Erzeugen einer Explosion
Benötigter Urananteil: 70%
Kernkraftwerk
Alle Kernkraftwerke in Deutschland sind Lichtwasserreaktionen
Man unterscheidet Siedewasser- und Druckwasserreaktion

Siedewasserreaktor:
Durch Brennelemente freigesetzte Wärme verdampft das Wasser im Reaktor
Der Dampf treibt die Turbine an
( der angeschlossene Generator erzeugt Strom
Kernkraftwerk ist also ein Wärmekraftwerk mit Radioaktivität im Reaktor und Wasserkreislauf

Druckwasserreaktor:
Mit 2.Kreislaufmit einem Dampferzeuger als Wärmetauscher
Uranvorräte sind genauso wie Erdöl- und Erdgasvorräte.
Der Einsatz und Atomkraftwerken ist also keine dauerhafte Lösung des Energieproblems
3) Sonnenenergie
a) Solartechnik
Die Sonne als natürliche Energiequelle
Die Sonne ist größte Energiequelle
Jährlich 7 ( 1017 kW ( h Energie auf der Erde
Energie entsteht durch Fusion (Verschmutzung) von Wasserstoffkernen zu Heliumkernen
Verteilung der Sonnenenergie unterschiedlich
Strahlungsleistung auf einem m2 wird durch Solarkonstante S erfasst ( maximal 1000 W/m2)
Strahlungsleistung abhängig von Sonnenstand, geografische Breite und Bevölkerung
Die Übertragung der Energie erfolgt durch die ausgesandte Strahlung: Licht- und Wärmestrahlung
Probleme bei Nutzung der Solarenergie
Wirtschaftliche Nutzung hängt von technologischen und klimatischen Vorraussetzungen ab
Verfahren der Sonnenenergienutzung
Umwandlung in thermische Energie (Solarthermie)
Umwandlung in elektrische Energie (Fotovoltaik)
Treibhauseffekt auf der Erde
Lichtstrahlung erwärmt Erdoberfläche
Dadurch sendet Erdoberfläche Wärmestrahlung
Wärmestrahlung kann nicht komplett durch Lufthülle in Weltrauch
Treibhausgase absorbieren Wärmestrahlung
Lufthülle wirkt als Wärmefalle: lässt Wärmestrahlung nicht komplett zurück
( zusätzliche Erwärmung = Treibhauseffekt
Kollektoren zur Warmwasserversorgung
Flachkollektor
Absorber durch den das Wasser zirkuliert wird mit Glasscheibe abgedeckt
Durch das Glas erreicht die Sonnenstrahlung der ohne Verluste den Absorber
Glasscheibe verhindert das durchlassen der Wärmestrahlung
Auf der Rückseite ist dazu noch eine Wärmedämmung gegen Abstrahlung

Zusatz:
Frostsichere, effizientere Anlagen (2 Glasscheiben, Vakuum-Röhrenkollektoren) Zusatzheizung, Pumpen und Regeltechnik
In warmen Ländern nicht nötig
Warmwasseranlage eines Wohnhauses
In südlichen Ländern benötigt man nur geringen Technischen Aufwand zum beheizen des Trinkwassers
Auf Dächern Thermosiphon-Anlage
Hier durchströmt Wasser den Flachkollektor und steigt dann durch Erwärmung in Speicher auf, der oberhalb des Kollektors angebracht ist (benötigen weder Pumpen, noch Regeltechnik)
Für unsere Breiten eignet sich diese Technik nicht
Solarthermische Anlagen
Sonnenkraftwerk: 3000h/Jahr nötig (Sonnenscheindauer)
Standorte: USA; Spanien, Italien; Japan Frankreich
Mit Spiegeln wird die Sonnenstrahlung größer
( die Temperatur muss sehr hoch sein, um eine Dampfturbine anzutreiben, die an einem Generator angeschlossen ist
Bezeichnung: konzentrierende Kollektoren
Absolbator muss im Brennpunkt der Spiegel liegen
Solarkraftwerke
Farm- und Turmkraftwerke
Farmkraftwerke: Lange rinnenförmige Holspiegel
In Brennlinie ist der Absorbatorrohr
400°C Erhitzung – genug Dampf für Dampfturbine Turmkraftwerk Feld von Spiegeln
Brennpunkt wird auf Turm mit Absorbator ausgerichtet
1000°C Erhitzung Parabolspiegelanlage Absorbator ist direkt mit Stirlingmotor verbunden, der mit Stromgenerator verbunden ist
Sonnenöfen
Mit großen Parabolspiegeln kann man im scharf gebündelten Brennpunkt Temperaturen von 400°C erzielen
Der im Brennpunkt stehende Sonnenofen empfängt das Licht nicht direkt, sondern über Fangspiegel, die das Licht auf den Hohlspiegel lenken.
Die Fangspiegel werden dem Sonnenstand nachgeführt.
Standort: Frankreich, Spanien, USA, Israel
Sie werden zu Forschungszwecken eingesetzt
b) Fotovoltaik
Mit Solarzellen kann die Sonnenenergie direkt in elektrische Energie Umgewandelt werden
Ohne Umweg über Wärmekraftmaschine
(diese Direktumwandlung bezeichnet man als Fotovoltaik
Aufbau und Funktionsweise einer Solarzelle
Sie bestehen aus Halbleitern (Silicium, Germanium, Galliumarsenid, Cadmiumsulfid)
Aber hauptsächlich Silicium (aus Quarzsand gewonnen)

Aufbau:
Eine extrem dünne n-leitende Siliziumschicht befindet sich auf einer Trägerschicht aus p-leitendem Silicium
Zw. n-leitende und p-leitende Siliciumschichten befindet sich eine Grenzschicht
Wird Grenzschicht des pn- Übergangs mit Licht bestrahlt, werden dort Ladungsträgerpaare (Elektronen und Defektelektronen) gebildet
Durch Einfluss des elektrischen Feldes in der Grenzschicht werden diese getrennt
Entstehung einer Spannung von ca. 0,7V
In der technischen Ausführung befindet sich dotierender Siliciumkristall auf Metallschicht (Plus-Elektrode) und wird von dünnen Metallgitter (Minus-Elektrode) bedeckt, sodass viel Licht auf Granzschicht fallen kann.
Solarzellen sind zur Stabilität auf Glasplatte aufgebracht
Halbleitermaterial ( in % Silicium 5-12 Germanium 8 Galliumarsenid 24 Kupfersulfid 23 Cadmiumsulfid 12 Wirkungsgrad einer Solarzelle
Der Wirkungsgrad ( sagt aus, welcher Anteil der auf die Solarzelle treffenden Strahlungsenergie des Lichts in elektrische Energie umgewandelt wird.

Wirkungsgrad hängt in starkem Maße von Halbleitermaterial ab:

Technisch relisierte Wirkungsgrad liegen zurzeit bei 8% und 18%. Um den Wirkungsgrad zu erhöhen, beschreitet man folgende Wege:
Strukturierung der Oberfläche zur Verminderung von Reflexionsverlusten: z.B. Aufbau der Oberfläche in Pyramidenstruktur, damit einfallendes Licht mehrfach auf die Oberfläche
Einsatz neuer Materialien: z.B. Galliumarsenid (GaAs), Cadmiumtellurid (CdTe) oder Kupfer- Indium- Diselenid (CuInSe2)
Um eine höchstmögliche Energieausbeute zu erreichen sollte die Solarzellen mit einem Neigungswinkel von 30°-45° nach Süden gerichtet sein.
Solarmodule und Solargeneratoren
Die zurzeit üblichen Solarzellen erreichen mit einer Größe von 10cm x 10cm eine Leistung von ca. 1,0 –1,5 Watt
Um dies zu Vergrößern werden mehrere Solarzellen zu so genannten Solarmodulen verbunden.
Man erzielt so eine Leistung von 50W, wenn 30-40 Solarzellen aneinander gereiht sind
Das Problem bei dieser Reihenschaltung ist, dass ein von der Sonne nicht beschienener Teil wie ein Widerstand wirkt und sich sehr stark erwärmt
( führt zur Zerstörung des Moduls
Deshalb überbrückt man die einzelnen Solarzellen mit Freilauf- bzw. Bypassdioden
Im Normalfall sperren die Dioden den Stromfluss und sind Damit wirkungslos
Wird jedoch eine Solarzelle abgeschattet, sodass sich ihr Widerstand erhöt, kann der Strom ungehindert über die Freilaufdiode fließen

Fotovoltaikanlagen
Man benötigt einen Solargenerator, ein System zur Speicherung der elektrischer Energie und einen Wechseltrichter zur Umwandlung von Solargenerator gelieferten Gleichspannung in Wechselspannung
Es werden Akkumulatoren eingesetzt, um zu die Energie zu speichern
Teure Methode: „solare“ Wasserstoff (hier wird vom Generator erzeugte Energie zur elektrolytische Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff genutzt beide Gase werden in Druckbehältern gelagert, die man in Brennstoffzellen umwandeln kann)
Man unterscheidet netzgekoppelte Fotovoltaikanlagen und Inselanlagen, die sind mit öffentlichen Stromversorgungsnetz verbunden
Anwendungen von Solarzellen
Vielfältiger Einsatz

Umweltfreundliche Energiequelle wird nicht intensiver genutzt weil:
Solarzellen sind gegenwärtig in der Herstellung zu teuer
In bestimmten Regionen scheint die Sonne zu selten und zu unregelmäßig
Anwendungsgebiete Beispiele Leistungsbereich in Watt Konsumgüter Uhren
Taschenrechner und Lampen
Werkzeuge
Ladegeräte
Radio 0,001 bis einige 100 Inselanlagen mit geringem Energiebedarf Notruf
Verkehrszeichen
Straßenbeleuchtung
Leuchtbojen
Parkscheinautomaten 10 bis einige 10 000 Inselanlagen mit höherem Energiebedarf Wasserpumpen
Lauben
Ferienhäuser

Berghütten
Dorfversorgung in Entwicklungsländern 50 bis einige 100 000 Netzgekoppelte Fotovoltaikanlagen Ein- und Mehrfamilienhäuser
Gewerbliche und kommunale Bauten 1 000 bis einige 100 000 Zentrale Stromversorgung Fotovoltaik-Kraftwerke 100 000 bis einige
1 000 000
4) Energie aus Wasser und Wind
a) Wasserkraftwerke
Speicher- und Laufwasserkraftwerke
Flüsse und Stauseen decken heute weltweit 1/5 der Elektrizitätsbedarfs
In Deutschland ist diese Energiequelle nicht so ausgebaut wie z.B in Brasilien oder Norwegen

Gewinnung von Energie aus Wasserkraft bedeutet Nutzung potentieller Energie:
E = m g h m= Wassermasse
g= 9,81 m/s2 (Fallbeschleunigung)
h= Höhenunterschied
Diese potentielle Energie kann von Generatoren in elektrische Energie umgewandelt werden
Laufwasserkraftwerke, große Wassermassen bei geringem Gefälle
Speicherkraftwerke, großes Gefälle mit geringen Wassermassen z.B Stauseen
Unterschiedliche Kraftwerke erfordern Turbinen
Victor Kaplan entwickelte Turbine für geringen Wasserdrücke
Durch verstellen der Laufradschaufeln kann Turbine einem schwankenden Wasserdurchfluss angepasst werden.
Bei höheren Fallhöhen benötigt man Laufrad mit mehreren Schaufelblättern
Pro und Contra Wasserkraft
Umweltfreundliche Energieform
Entstehen keine Abgase + kaum andere ökologisch negative Folgen
Ausbauplanungen dieser Energieform umstritten
Für solche Bauprojekte müssen Menschen aus ihrer Heimat umgesiedelt werden, denn viele ihrer Dörfer werden versinken
Denkmalgeschützte Städten werden überschwemmt
Tiere und Pflanzen werden in großem Maß vernichten/sterben aus
Weiteres Problem: Wegfall der regelmäßigen Naturdüngung durch Überschwemmungen
Vergleicht man diese Energiemethode mit anderen wirft sie Probleme auf, die andere Formen nicht aufweisen
Gezeitenkraftwerke
Nutzen Meeresströmungen (Ebbe und Flut)
Das weltweit technisch nutzbare Potenzial beträgt ca. 200 000 MW
An der französischen Atlantikküste bei Saint Malo steht das leistungsfähige Gezeitenkraftwerk der Welt mit einer Leistung von 140 MW
Die Turbinen werden vom anlaufenden und abfließenden Wasser angetrieben
An der kanadischen Atlantikküsten entsteht eine Gezeitenkraftwerkskette mit 130 Anlagen (die elektrische Energie entspricht 6 Kernkraftwerken)
Sie sind emissionsfrei und betriebssicher
Wellenkraftwerke
Wellenschlag enthalten riesige Energiemassen
Theoretisch eröffnet die Wellenenergie interessante Nutzungsmöglichkeiten
Umweltrisiken – gering

Fantasievolle Vorschläge:
Brandungswellenbrecher: er besteht aus mehreren Kammern. Durch die an der Schrägseite des auflaufenden Wellen strömt das Wasser beim Zurücklaufen der Welle durch Aufwerfen der Kammerverschlussklappen in die Kammern. Die Fallhöhe zw. den Kammern und dem Meeresspiegel wird zur Stromerzeugung mithilfe von Wasserturbinen ausgenutzt.
Knickfloß: Wellenklappen sind zu schwimmenden Flößen mit Drehgelenken zusammengefügt. Dadurch wird die Wellenbewegung in eine Knickbewegung und schließlich in Kompressionsarbeit in den Zylindern mit Kolben umgesetzt.
Wellenenergiewandler: Beim Eintauchen des Schwimmkörpers schiebt sich das Wasser durch eine lange Röhre und ein Klappenventil in ein Resevoir. Ist es gefüllt, strömt über eine Reihe von Turbinen zurück ins Meer
Durch diese Verfahren kann die Umwelt, das biologische Gleichgewicht beeinflusst werden
Es können Behinderungen der Schifffahrt entstehen
b) Windkraftwerke
Wie viel Energie steckt im Wind?
Windkraft ist Ergebnis der Sonneneinstrahlung
Sonne erwärmt Erde unterschiedlich (je nach Jahres- und Tageszeit bzw. Einfallswinkel)
Temperaturunterschiede bewirken Luftdruckunterschiede
In kühlen Regionen: Hochdruckgebiete
In warmen Regionen: Tiefdruckgebiete
Bewegung von Luftmassen gleichen Luftdruckunterschiede aus – es entsteht Wind
In Deutschland (Küstennähe, Gebirgen) ist die Nutzung von Windrotoren möglich
Man nutz kinetische Energie der bewegten Luftmassen

Beeinflussung von zwei Faktoren:
Größe vom Rotor überstrichene Fläche
Standort d. Rotors mit möglichst hoher mittleren Windgeschwindigkeit
Die nutzbare Leistung: 60% / Wirkungsgrad beträgt 0,6

Rotortypen:
Leistung hängt vom Rotortyp und der Schnelllaufzahl ( ab
Als ( bezeichnet man Geschwindigkeit d. Flügelspitze in Relation zur Windgeschwindigkeit
( = VFlügelspitze
VWind
Langsamläufer funktionieren nach Widerstandsprinzip, sie haben Schnelllaufzahl kleiner als 1
Schnellläufer haben Werte bis (=15
Das heißt, das die Flügelspitzen d. Rotoren bei einer Windgeschwindigkeit von 50 km/h (Windstärke 6-7) eine Bahngeschwindigkeit von 750 km/h erreichen
Das bedeutet enorme Kraft + hohe Materialanforderungen
Biologie
5) Energie und Lebensvorgänge

a) Fotosynthese
Pflanzen sind in der Lage aus Kohlenstoffdioxid und Wasser mithilfe von Licht und Chlorophyll organische Stoffe zu bilden
Man nennt den Vorgang Fotosynthese
Fotosynthese ist für Leben auf der Erde von großer Bedeutung
Ausgangsstoffe und Bedingungen
In den grünen Pflanzen befindet sich linsenförmiges Chlorophyll (grüner Farbstoff)
Neben Chlorophyll befindet sich noch Carotinoide (orange/gelb) Xantophylle (gelb)
Chloroplasten, einzige Ort, wo Fotosynthese betrieben wird
In Laubblättern sind sie in der Palisaden- und Schwammschicht lokalisiert
Kohlenstoffdioxid befindet sich in der Luft
Wird durch Spaltöffnungen der Laubblätter aufgenommen und über Zellzwischenräume in Zellen diffundiert
Wasser wird durch die Wurzel aus Boden aufgenommen und durch Wasserleitungsbahnen in alle Zellen d. Pflanzen transportiert
Licht ist Energiequelle d. Fotosynthese
Strahlungsenergie wird in chem. E. umgewandelt
Fotosynthese
1.) Phase der Fotosynthese - Die Lichtreaktion
Licht wird vom Chlorophyll aufgenommen
Energie d. Lichtes führt Chlorophyll in energiereichen „angeregten“ Zustand
Es kann Energie als Wärme, als Strahlung, durch Energieübertragung oder bei der Auslösung chem. Reaktionen, z.B. zur Spaltung von Wasser abgeben.
Durch die Asorption des Lichts werden die Elektronen des Chlorophylls auf ein höheres Energieniveau gehoben.
Die Elektronen werden auf eine Redoxkette (Enzyme) übertragen.
Die Elektronenlücke im Chlorophyll führt zum Zerfall von H2O in Sauerstoff und Wasserstoff
Die Elektronen aus dem H2O schließen die Lücke im Chlorophyllmolekül.
Der entstehende Sauerstoff wird an die Atmosphäre über die Spaltöffnungen abgegeben.
Die Wasserstoffionen verbinden sich mit den energiereichen Elektronen und einem Enzym (R) zu RH2.
Dieses RH2 wird in die 2. Phase der Fotosynthese eingeschleust.
Die im Ergebnis der Redoxkette gespeicherte Energie führt zur ADT-ATP-Reaktion.
Bei der ADP-ATP-Reaktion (endotherm) wird Adensindiphosphat zusammen mit dem Phosphatrest unter Energieaufnahme zu Adenosintriphosphat.
Die jetzt im Stoff ATP gespeicherte Energie kann bei Energiebindenden Reaktionen in der 2. Phase der Fotosynthese freigesetzt werden.
Ergebnis der 1. Phase: Lichtenergie ist chemisch gespeichert in RH2 und ATP.
2.) Phase der Fotosynthese – Die Dunkelreaktion
Sie benötigt kein Licht, sie wird durch lichtenabhängige Reaktionen genannt
Hier wird Kohlenstoffdioxid durch den Wasserstoff, der in der Lichtreaktion gebildet wurde, reduziert und über viele komplizierte Teilreaktionen entsteht Glucose.
In der 2. Phase der Fotosynthese wird ein Co2-Molekül an ein Kohlenhydratmolekül gebunden.
Durch weitere Reaktionen entsteht Clucose/Traubenzucker als energiereiche Verbindung.
Vorraussetzung dafür ist das in der 1. Phase gebildete ATP als Energiequelle sowie das RH2 als Reduktion.
Clucose ist energiereiche Verbindung, sie enthält chem. Energie
In den Chloroplasten sind aus den energiearmen Soffen Wasser und Kohlenstoffdioxid mithilfe von Licht, Wasser und Chlorophyll der energiereiche organische Stoff Clucose und Sauerstoff entstanden.
Bildung weiterer organischer Stoffe
Clucose ist Ausgang für alle weiteren organischen Verbindungen in Pflanzenzellen
Clucose bildet mit Stickstoff, Schwefel und Mineralsalz-Ionen Eiweiße. Sie sind wichtige Bestandteile der Zellen
Auch Fette, Vitamine, Nukleinsäuren, Zellulose, Duft- und Aromastoffe werden aus Clucose hergestellt
Nach der Entstehung wird Clucose unmittelbar in Stärke umgewandelt
Nachts wird Stärke wieder zu wasserlöslichen Zuckern abgebaut, die dann in den Siebröhren in die Zellen transportiert werden, in denen keine Fotosynthese betrieben wird (z.B. Wurzelzellen)
Der Überschuss an Zucker, der nicht für Stoffwechselvorgänge benötigt wird, wird oft in Form von Mehrfachzucker in Speicherorganen abgelagert
In Speicherorgan wird Zucker nach seinen Transport erneut in Stärke umgewandelt, oder es werden Fette gebildet
Fotosynthese liefert Pflanzen die Energie für den Aufbau aller für das Wachstum erforderlichen Stoffe
Durch Fotosynthese wird weltweit jährlich 150 Milliarden Tonnen Zucker produziert
a) Zellatmung Gasaustausch -> Pflanzen atmen
Pflanzen atmen, Wasserabgabe
Der größte Teil des von den Wurzeln aufgenommenen Wasser wird durch die Blätter wieder abgegeben.
Aus den Spaltöffnungen diffundieren Wassermoleküle nach außen, da ihre Anzahl in den Interzellularen größer ist als in der Umgebung.
Bei warmen, feuchten Wetter öffnen sich die Spaltöffnungen. Jetzt kann CO2 aufgenommen und Wasserdampf und O2 abgegeben werden.
Wenn das Wetter warm und trocken ist, dann schließen sich die Spaltöffnungen, als Schutz vor Austrocknung. Die Co2 Aufnahme wird unterdrückt. Außerdem wird kein Wasserdampf und kein O2 abgegeben.
Bei zu heißem, trockenem Wetter kann es sein, dass die Wasserabgabe größer ist als die Wasseraufnahme.
Die Spaltöffnungen schließen sich dann, weil der Zellinnendruck in den Schließzellen nachlässt und die Zellen erschlaffen.
Bei den meisten Pflanzen sind die Spaltöffnungen tagsüber geöffnet und nachts geschlossen.
Die regulierte Wasserabgabe wird als Transpiration bezeichnet. Wird trotzdem mehr wasser abgegeben als aufgenommen, welken die Pflanzen, weil der Zellinnendruck in den Zellen abnimmt.
Gegen die Austrocknung der Pflanze schützten nicht nur die Spaltöffnungen, sonder auch die Wachsschicht auf der Blattoberseite. Die sogenannte obere Epi0ermis mit der Kutikula schützten die Pflanze auch von Verletzungen.
c) Gärungsvorgänge
Ohne Sauerstoffe können Zellen Glucose nur unvollständig abbauen
Die Abbauvorgänge werden Gärung genannt
Es entstehen noch relativ energiereiche Endprodukte
Energiegewinn eines Organismus durch Gärung ist deshalb gering, er beträgt nur 1/12 von dem der Atmung
Hefepilze können auch ohne Sauerstoff aus Glucose Energie freisetzen
Glucose wird zu Ethanol und Kohlenstoffdioxidvergoren
Den Vorgang nennt man alkoholische Gärung
Glucose Ethanol + Kohlenstoffdioxid + Energie
C6H12O6 2 C2H5OH + 2 CO2 + Energie (ATP)
Das entstehende Kohlenstoffdioxid lockert z.B. beim Backen den Teig.
Auch viele Bakterien können durch Gärung an Energie gewinnen.
Milchsäurebakterien bauen z.B Zucker zu Milchsäure ab.
Glucose Milchsäure + Energie
Mit Hilfe der Milchsäuregärung wird aus Milch Joghurt und Käse hergestellt, aus Weißkohl Sauerkraut.
Milchsäuregärung ist bei allen Wirbeltieren eine Möglichkeit, Energie bereitzustellen
Die intensive Muskelarbeit für zum Sauerstoffmangel, weitere Bewegung wäre nicht möglich , wenn Energie nicht kurzzeitig durch Milchsäuregärung bereitgestellt werden könnte.
Bei Gärung entstehen aus 1 mol Glucose nur 2 mol ATP
d) Energie aus nachwachsenden Biomasse/Rohstoffen
Biomasse ist die durch Pflanzen und Tiere gebildete organische Substanz.
90% d. Biomasse auf der Erde wird von Planzen produziert
dabei werden 0,1% eingestrahlte Sonnenenergie verbraucht
Pflanzen als erneuerbare Rohstoffe, aber auch aus Rest- und Abfallstoffe der pflanzlichen und tierischen Produktion, bieten vielfältige Möglichkeiten, fossile Energieträger zu bilden
Verbrennung von Biomasse
Jede Art von Biomasse ist für die Energieumwandlung durch Verbrennung geeignet
In ersten Projekten verwendet man Restholz und Stroh, aber auch schnellwachsende Pflanzen
Die zerkleinerte Biomasse wird in regionalen Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung verbrannt

Biogasnutzung
Hauptbestandteil d. Biogases ist Methan (brennbar), das beim Abbau org. Substanz unter Luftabschluss entsteht
In Sümpfen oder am Grunde verschmutzter Gewässer entsteht Sumpfgas (Gemisch aus Kohlenstoffdioxid und Methan)
Die in der Natur ablaufenden Prozesse werden bei Gewinnung von Biogas nachvollzogen
Unterschiedliche org. Stoffe werden mithilfe von Methanbakterien unter Luftabschluss vergoren, dabei entstehen Biogas und andere org. Verbindungen

Biogas aus Abfällen der landwirtschaftliche Produktion:
Bei Haltung von Tieren fallen Stoffe wir Gülle, Kot und Streumaterial an
Diese werden in große Tanks gebracht, wo sie bakteriell unter Luftabschluss vergoren werden
Es entsteht Biogas und org. Reststoffe.
Das Gas muss aber erst noch bearbeitet werden, dabei entsteht Gülle, was die Umwelt nicht belastet
In Ausgangsstoffen dürfen keine Chemikalien wie Reinigungsmittel, Antibiotika oder Konservierungsstoffe vorhanden sein, da diese den Wachstum von Methanbakterien hemmen
Biogas aus Müll
In Mülldeponien entsteht ebenfalls Biogas
Zutritt von Sauerstoff wird durch Abdeckplanen verhindert
Das entstehende Gas wird durch Bohrungen abgesaugt und wird zum Heizen verwendet
Biogas aus Klärschlamm
In Klärwerken fallen bei der Reinigung von Abwässern Klärschlamm an
Er kann in Faultürmen ebenfalls zur Methangärung unterzogen werden
Wird als Heizgas eingesetzt
Restschlamm wird als Bodenverbesserungsmaterial in der Landwirtschaft benutzt
e) Biokraftstoffe
Biodiesel
Aus Samen mancher Pflanzen kann man Öl gewinnen, das sehr viel Energie enthält
Dieses Öl eignet sich zur Herstellung von Motorkraftstoff
Raps ist die i Deutschland am häufigsten angebaute Ölpflanze
Nach der Ernte wird aus den Rapssamen Öl gepresst
Durch Zusatz von Methanöl entsteht aus den Rapsöl und aus dem Alkohol Rapsölmethylester, der Biodiesel.
Er kann in allem Dieselmotoren eingesetzt werden.
Das Blockheizkraft des Reichstagsgebäude wird mit Biodiesel betrieben
Bioalkohol
Aus stärke- und zuckerhaltigen Pflanzenteilen kann durch Veränderung Bioalkohol hergestellt werden.
Er dient als Kraftstoff oder als Zusatz von Kraftstoffen.
In Brasilien wird Bioalkohol aus Zuckerrohr und Maniok hergestellt
Der Einsatz von Biokraftstoffen wird vor allem hinsichtlich der ökologischer Fragestellungen kontrovers diskutiert.
Vorteile Nachteile Regenerative Energiequelle, da nahwachsende Rohstoffe verwendet werde.
die CO2-Bilanz ist neutral, da soviel Kohlenstoff freigesetzt wurde, wie die Pflanze gebunden hat.
die Summe aller Treibhausgase ist geringer, keine SO2-Abgabe.
Treibstoff auf der Basis von Bioalkohol verbrennt nahezu rußfrei.
Wird gewöhnlichem Benzin ein Anteil von ca. 3% Bioalkohol beigemischt, arbeiten die damit betriebenen Motoren noch leistungsfähiger.
Dieseltreibstoff aus Rapsöl ist biologisch abbaubar, Boden und wasser werden nicht gefährdet. Biodiesel eignet sich daher besonders als Treibstoff für Fahrzeuge oder Motorägen in Wald- und wasserschutzgebieten. Durch den Einsatz von Maschinen für Abbau, Ernte und Transport beträgt die reale Senkung des CO2-Ausstoßes nur etwas 35%.
Der Ausstoß von Stickstoffdioxiden ist bis zu 10% höher als beim Einsatz herkömmlicher Treibstoffe.
Intensiver Rapsanbau kommt nicht ohne den Einsatz erheblicher Mengen an Dünge- und Pflanzenschutzmitteln aus. Daraus ergibt sich eine Gefährdung von Boden und Wasser.
Bedingt durch Monokulturen besteht eine beeinträchtigung der Tier- und Pflanzenwelt.
Der zum Anbau notwendige Wasserbedarf ist hoch.
In einer Zeit des Ernährungsnotstandes in vielen Gebieten der erde erscheint es als zweifelhafter Luxus, landwirtschaftlich zum Zweck der treubstoffproduktion zu betreiben.
Der Anteil der Energie aus Biomasse am Primärenergieverbrauch beträgt in deutschlan etwa 1%.
Auch zukünftig stellt die Energiegewinnung aus Biomasse den weg dar, um fossile Brennstoffe einzusparen bzw. langfristig zu ersetzten. Dem Schutz unserer Umwelt wird langfristig jedoch deutliche Senkung des Kraftstoffesverbrauchs dienen.

Download: PDF, DOC