Energiearten auf Teer

Energie

Erneurbare Energien, Fossile Energien, Wasserenergie ... Es gibt so viele verschiedene Energiearten, die uns im täglichen Leben begegenen. Wir haben uns der Aufgabe gestellt und stellten die verschiedenen Energiearten vor.

1 Energiearten
Schulklasse im Freiluftklassenzimmer

Wir befinden uns auf dem Pausenhof und notieren alle Begriffe zum Thema Energie. 18 Begriffe fallen uns als Schulklasse ein. Doch wie ist der Zusammenhang zwischen den einzelnen Begriffen?

Im folgenden werden die Begriffe erklärt und Anwendungen vorgestellt. Daneben werden Vergleiche zu anderen Energieformen gezogen und Formeln angegeben.

Ein herzliches Dankeschön geht an die Klasse BKE15 der Elektronikschule Tettnang, die maßgeblich am Entstehen dieser Seite mitgewirkt hat.

2 Mechanische Energie

Mechanische Energie ist die Fähigkeit eines Körpers aufgrund seiner Lage oder Bewegung mechanische Arbeit zu verrichten. Die mechanische Energie Emech (Einheit Joule oder Newtonmeter) wird unterteilt in: Lageenergie, Bewegungsenergie und Spannenergie.

Am Beispiel von Rabe Socke kann man sehen wie sich die mechanische Energei wandeln lässt. Spannt man die Feder und lässt den Rabe los, wird die Spannenergie in Bewegungsenergie gewandelt. Oben angekommen, ist die Feder entspannt und die Geschwindigkeit Null. Der Rabe besitzt jedoch Lageenergie.

3 Lageenergie
Stausee

Ein Stausee hat eine Höhe von 100 m und 160 Mrd. l Wasser gespeichert. Die gespeicherte Energie berechnet sich zu:

$$E=m\cdot g\cdot h$$ $$[E]\hspace{-0.5mm}=\hspace{-0.5mm}kg \hspace{-0.5mm}\cdot\hspace{-0.5mm} m/s^2 \hspace{-0.5mm}\cdot\hspace{-0.5mm} m \hspace{-0.5mm}=\hspace{-0.5mm} J \hspace{-0.5mm}=\hspace{-0.5mm} Ws \hspace{-0.5mm}=\hspace{-0.5mm} Nm$$

Das bedeutet: Die Energie ist um so größer je höher der Stausee und je größer das Volumen. Assuan Staudamm lernhelfer.de 

Übrigens: Ein Apfel mit 100 g hat in 1 m Höhe eine Energie von 1 J gespeichert.

4 Bewegungsenergie
Zug

Die kinetische Energie (auch Bewegungsenergie) berechnet sich zu:

$$E=\frac{1}{2}m\cdot v^2$$ $$[E]\hspace{-0.5mm}=\hspace{-0.5mm}kg \hspace{-0.5mm}\cdot\hspace{-0.5mm} m/s^2 \hspace{-0.5mm}=\hspace{-0.5mm} J \hspace{-0.5mm}=\hspace{-0.5mm} Ws \hspace{-0.5mm}=\hspace{-0.5mm} Nm$$

Ein Mensch mit 55 kg der sich mit 5 km/h bewegt hat eine Energie von 50 J gespeichert.
Ein PKW mit 1 t und 100 km/h hat 386000 J und ein Jumbo Jet beim Start hat 1,2.109 J gespeichert.

5 Fossile Energien
ehemaliger Braunkohle-Tagebau

Fossile Brennstoffe sind endlich und zerstören Klima und Umwelt, da hierbei gebundenes CO2 wieder in die Atmosphäre abgegeben wird.

Zu den fossilen Energieträgern gehören u.a.: Erdöl, Erdgas, Braunkohle und Steinkohle.

In der Abbildung sieht man einen ehemaligen Braunkohle-Tagebau. Das in Deutschland aus fossilen Brennstoffen freigesetzte Kohlendioxid, stammt zu etwa 50 % aus Braunkohle.

6 Erneubaren Energien
Windkraftanlage

Zu den erneuerbaren Energien zählen alle Energieformen, bei denen kein zusätzliches Kohlendioxid in die Atmosphäre abgegeben wird und kein atomarer Restmüll entsteht. Eine andere Definition besagt, dass die Energie aus unerschöpflichen oder wiederherstellbaren Quellen kommt.

Hierzu gehören bspw. die Windkraft und Fotovoltaikanlagen. Aber auch die Verbrennung von Holz zählt dazu, da bei der Verrottung von Holz genauso viel CO2 frei wird, wie bei der Verbrennung. Daneben zählen u.a. noch Biogasanlagen, Erdwärmeanlagen und Gezeitenkraftwerke dazu.

7 Elektrische Energie
Stromkreis

Als elektrische Energie bezeichnet man Energie die in elektrischen oder magnetischen Feldern gespeichert ist. Bei der Übertragung von elektrischer Energie mit Hilfe von elektrischem Strom spricht man auch von elektrischer Arbeit.

$$E_{El}=U\cdot I\cdot t$$ $$[E]=V \cdot A \cdot s = Ws = J = Nm$$

Ein elektrisches Leuchtmittel mit 60 W hat eine Stromaufnahme von 0,261 A an 230 V. In 1000 Stunden benötigt es somit eine elektrische Energie von 60 kWh = 216 000 000 Ws.

8 Kernenergie
Wasserfall

Die Energie der Kernkraft entsteht durch die Kernspaltung. Bei der Kernspaltung werden Uran- und Plutoniumatome durch den Beschuss mit Neutronen gespalten wodurch große Mengen an Wärme frei werden. Diese thermische Energie wird in einer Dampfturbine in Rotationsenergie umgesetzt, welche wiederum in einem Generator in elektrische Energie gewandelt wird.

Ein Atomkraftwerk erzeugt im Jahr etwa 7 900 000 MWh, während ein einzelnes Windrad gerade einmal 1 840 MWh erzeugt. Auch wenn die Atomkraft kein zusätzliches Kohlendioxid in die Atmosphäre abgibt, entstehen hierbei radioaktive Abfälle dessen Entsorgung bis heute nicht geklärt ist. Darüber hinaus birgt sie hohe Risiken für die Umwelt bei Unfällen.

9 Der Wirkungsgrad

Eine Windkraftanlage wandelt bspw. 40 % der Windenergie in Rotationsenergie um. Davon werden nur 80 % in elektrische Energie umgewandelt. Die 20 % gehen im Generator verloren.

Sind Systeme hintereinander geschaltet wird der Gesamtwirkungsgrad durch die Multiplikation der Einzelwirkungsgrade berechnet.

$$\eta_{ges}=\eta_1 \cdot \eta_2 \cdot~...$$

Merke: Der Gesamtwirkungsgrad ist immer kleiner als der kleinste Einzelwirkungsgrad.



Aufgabe 1 Das Leuchtmittel

Leuchtmittel

Ein Leuchtmittel wird während 1,25 h am Tag an 230 V und 0,261 A betrieben. Eine Kilowattstunde Strom kostet 26 Cent.

Wie viel kostet die Energie

  1. pro Woche,
  2. pro Jahr (52 Wochen)?
  3. Was versteht man beim Energiesparen unter dem Rebound-Effekt?

  1. Energie pro Woche: $E_{El}=U\cdot I\cdot t$$=230~V \cdot 0,261~A \cdot 31500~s $$= 1890945~Ws = 0,5252625~kWh$

    Kosten pro Woche: $\text{Kosten}=E_{El}\cdot \text{Preis pro kWh}$$=13,66~Cent$

  2. Energie pro Jahr: $E_{El}= 27,32~kWh$

    Kosten pro Jahr: $\text{Kosten}=7,10~Euro$

  3. Beim Rebound-Effekt lässt man bspw. ein Energiespar-Leuchtmittel länger brennen, da es so wenig verbraucht. Dadurch sind die Energiekosten am Ende u.U. höher und das Energiesparen ist paradoxerweise teuer.



Aufgabe 2 ICE 1

Zugfenster

Ein ICE 1 bremst bei der Einfahrt in München Hbf von 200 km/h ab.

  1. Wie viel wiegt ein ICE 1?
  2. Wie viel Energie wird beim Abbremsen frei?
  3. Wie hoch ist der Jahresenergiebedarf eines 4-Personen-Haushalts und wie viele Tage könnte man ihn mit der Energie versorgen?

  1. Gewicht ICE 1: $m=889~t=889000~kg$

  2. Energie ICE 1: $E_{ICE~1}=\frac{1}{2}mv^2$$=0,5\cdot 889000~kg \cdot (55,56~m/s)^2$$=1372133095~Ws=381,15~kWh$

  3. Jahresenergiebedarf: $E_{El}=4000kWh$

    Tagesbedarf: $E_{El}=4000kWh/365=10,96~kWh$

    Anzahl Tage: $n=381,15~kWh/10,96~kWh$$=34,78~\text{Tage}$



Aufgabe 3 Die Stadt Tettnang und das Pumpspeicherkraftwerk

Skizze freier Fall

Die Stadt Tettnang mit 18000 Einwohnern soll eine Woche lang mit der Energie eines Pumpspeicherkraftwerks versorgt werden. Dazu soll 100 m über dem Bodensee ein Stausee errichtet werden.

  1. Wie hoch ist der Energiebedarf für die Stadt Tettnang in einer Woche?
  2. Wie viel Wasser wird benötigt?
  3. Wie viel Prozent des Bodenseevolumens wird hierfür benötigt?

  1. Einwohner: 18000

    Energiebedarf pro Jahr: $E=18000\cdot 1000~kWh$$=180000000~kWh$

    Energiebedarf pro Woche: $E=18000000~kWh/52$$=3.461.538~kWh$$=1.246.153.846.153~Ws$

  2. Masse des Wassers: $m=\frac{E}{gh}$$=\frac{1.246.153.846.153~Ws}{981~m^2/s^2}$$=1.270.289.846~kg= 1.270.289~m^3$

  3. Bodenseevolumen: $V=45.000.000.000~m^3$

    Anteil am Bodenseewasser: $p=1.270.289~m^3/45.000.000.000~m^3$$=0,00282~\%$



Aufgabe 4 Energie und Wirkungsgrad

Fotovoltaikanlage

Der Gesamtwirkungsgrad von verschiedenen Systemen soll berechnet werden.

  1. Eine Fotovoltaikanlage wandelt 30 % des Sonnenlichts in elektrische Energie. Davon gehen 10 % im Wechselrichter verloren.
  2. In einem Windkraftwerk werden 60 % der Windenergie in Rotationsenergie umgewandelt. Das Getriebe hat einen Wirkungsgrad von 75 %, der Generator 90 %.
  3. Die Turbine eines Wasserkraftwerks hat einen Wirkungsgrad von 90 %, der Generator hat 85 % und auf der Übertragungsstrecke gehen noch 10 % verloren.

  1. Fotovoltaikanlage: $\eta_{ges}=\eta_{Foto} \cdot \eta_{Wechselrichter}$$=0,3 \cdot 0,9 = 0,27$

  2. Windkraft: $\eta_{ges}=\eta_{Wind} \cdot \eta_{Getr} \cdot \eta_{Gen}$$= 0,6 \cdot 0,75 \cdot 0,9 = 0,675$

  3. Wasserkraft: $\eta_{ges}=\eta_{Turb} \cdot \eta_{Gen} \cdot \eta_{Leit}$$= 0,9 \cdot 0,85 \cdot 0,9 = 0,68$



Wortliste und Satzbausteine



die Energie, -n Eine fundamentale physika­lische Einheit, welche in Joule (J) gemessen wird. Sie bleibt in einem geschlos­senen System konstant (Energie­erhaltungs­satz). Das bedeutet, Energie kann weder vermehrt, noch vermindert werden. Sie wird immer nur umge­wandelt.
die mechanische Energie, -n Es gibt drei mechanische Ernergie­formen: Die Lage­energie, die Bewegungs­energie und die Spann­eneergie.
die Lage­energie, -n Die Lageenergie (auch potentielle Energie) $E_{pot}=m\cdot g\cdot h$ beschreibt die Energie, welche ein Objekt mit der Masse $m$ aufgrund seiner Höhe $h$ gespei­chert hat. Dabei ist $g=9,81\:m/s^2$ die Erdbeschleunigung.
die Bewegungs­energie, -n Die Bewegungs­energie (auch kinetische Energie) $E_{kin}=0,5\cdot m\cdot v^2$ ist die Energie, welches ein Objekt mit der Masse $m$ aufgrund seiner Geschwin­digkeit $v$ gespei­chert hat.
Spann­eneergie, -n Die Spann­energie $E_{spann}=0,5\cdot D \cdot s^2$ ist die Energie, welche eine Feder mit der Feder­konstante $D$ aufgrund ihrer Spannung bei der Aus­lengkung $s$ gespei­chert hat. Dabei kann die Feder zusammen­gedrückt oder gezogen werden.
die Feder­konstante $D$, -n Die Feder­konstante $D$ wird in N/m angegeben. Sie ist ein Maß für die not­wendige Kraft, um eine Feder eine bestimmte Länge auszu­lenken. Je größer die Feder­konstante $D$, desto härter die Feder, je kleiner $D$ desto weicher die Feder.
das Licht, hier keine Mehrzahl eine Energieform, welche mit unseren Augen wahrgenommen werden kann
die Wärme, keine Mehrzahl eine Energieform, welche sich in Temperaturunterschieden zeigt. Je heißer ein Stoff, desto mehr thermische Energie hat er gespeichert
die elektrische Energie, -n eine Energieform, welche in elektrischen Feldern aufgrund eine elektrischen Spannung gespeichert ist.
die magnetische Energie, -n eine Energieform, welche in magnetischen Feldern aufgrund eines elektrischen Stromes oder eines Dauermagneten gespeichert ist
der Wirkungs­grad $\eta$, -e Der Wirkungsgrad gibt an, wieviel Prozent der zugeführten Energieform in die nutzbare Energieform umgewandelt wird. Bei Windkraftanlagen kann bspw. maximal 60 % in Bewegungsenergie umgewandelt werden, da bei 100 % die Luft zum Stillstand kommen würde und damit wiederum das Windrad stehen würde.

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