Lade Inhalt...

Energiegewinnung aus den vier Elementen

Kann das Thema „gewinnbringend“ im projektorientierten Unterricht umgesetzt werden und welche Werte sind mit Energiegewinnung und Ökologie in Verbindung zu bringen?

Bachelorarbeit 2011 74 Seiten

Elektrotechnik

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1 Abstract

2 Vorwort

3 Einleitung
3.1 Die vier Elemente
3.2 Ökologie und Nachhaltigkeit
3.3 Energieversorgung in Österreich

4 Feuer
4.1 Überblick über die Gewinnung von elektrischer Energie aus dem Element „Feuer“
4.2 Funktionsweise von Photovoltaikanlagen
4.2.1 Unsere Sonne
4.2.2 Funktionsweise von Solarzellen
4.2.3 Solarzellentechnologien
4.3 Photovoltaik aus ökologischer Sicht

5 Generatorprinzip
5.1 Funktionsweise

6 Erde
6.1 Überblick über die Gewinnung von elektrischer Energie aus dem Element „Erde“
6.2 Begriffserklärungen im Zusammenhang mit Radioaktivität
6.3 Gewinnung von Brennmaterial
6.4 Funktionsweise von Atomkraftwerken
6.4.1 Siedewasserreaktor
6.4.2 Druckwasserreaktor
6.4.3 Schneller Brüter
6.4.4 Kugelhaufenreaktor
6.5 Atomkraft aus ökologischer Sicht

7 Wasser
7.1 Überblick über die Gewinnung von elektrischer Energie aus dem Element „Wasser“
7.2 Energiegewinnung aus Wasserkraftwerken
7.2.1 Laufkraftwerke
7.2.2 Speicherkraftwerke / Pumpspeicherkraftwerke
7.2.3 Gezeitenkraftwerke
7.3 Wasserkraft aus ökologischer Sicht

8 Luft
8.1 Energiegewinnung aus Luft
8.2 Windkraftwerke aus ökologischer Sicht

9 Praxisprojekt
9.1 Projektziele
9.2 Projektablauf
9.2.1 Mindmap an der Tafel
9.2.2 Gruppenfindung
9.2.3 Arbeitsaufträge
9.2.4 Arbeitsablauf
9.2.5 Präsentation der Ergebnisse

10 Didaktischer Hintergrund zum Projekt
10.1 Projektorientierter Unterricht
10.1.1 Vorgabe eines Arbeitsthemas
10.1.2 Vorbereitungsphase
10.1.3 Einstiegsphase: Handlungsbezogener Unterrichtseinstieg
10.1.4 Einstiegsphase: Handlungsergebnisse
10.1.5 Erarbeitungsphase
10.1.6 Auswertungsphase
10.2 Werteerziehung
10.2.1 Nachhaltigkeit und intergenerationelle Gerechtigkeit

11 Ergebnisse der Untersuchung
11.1 Auswertung

12 Zusammenfassung & Resümee

13 Literaturverzeichnis

14 Abbildungs- und Tabellenverzeichnis

Erklärung

Anhang

1 Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Frage: „Energiegewinnung aus den vier Elementen. Kann das Thema „gewinnbringend“ im projektorientierten Unterricht umgesetzt werden und welche Werte sind mit Energiegewinnung und Ökologie in Verbindung zu bringen?

Energiegewinnung im projektorientierten Unterricht der PTS im Fach Technisches Seminar“.

Die derzeitig brennende Frage nach einer zukünftigen Energiesicherung, die nicht zuletzt auch in ökologischer Hinsicht geklärt werden muss, spitzt sich ja immer mehr zu. Dass Erdöl, Erdgas und Kohle nicht die Energieträger der Zukunft sind, rückt immer mehr ins Bewusstsein der Menschen. Alternative Energiequellen werden gesucht, etwa die Photovoltaik, und auf „altes Wissen“ zurückgegriffen - wie der Wasser- bzw. der Windkraft.

Umweltschutzorganisationen fordern einen Ausstieg aus der Nutzung der Atomkraft und auch gleichzeitig ein Umdenken in der Energiepolitik. Fakt ist, dass unsere Gesellschaft auf elektrische Energie angewiesen ist - Energiekosten bestimmen ebenso die zukünftige Entwicklung der Energielandschaft, genauso wie auch die Nachhaltigkeit für die kommenden Generationen. Ökologie ist heute keine Frage einiger weniger „Ökofreaks“, sondern einer breiten Masse der Bevölkerung, denn ökologisches Denken in der Energiefrage ist zugleich auch ein Arbeiten an einer gesicherten Lebensqualität.

Die einzelnen Energiequellen werden zudem näher beschrieben, damit auch (fachfremde) Lehrerkollegen und Lehrerkolleginnen auf diese Arbeit zurückgreifen können um diese im Unterricht einzubinden.

Parallel zu dieser Arbeit wurde ein Schülerprojekt zum gleichnamigen Thema gestartet und eine Homepage gestaltet:

http://www.schulen.eduhi.at/schuelerhomepage/elektro11/Energie.html

Die 12 männlichen Schüler sollen sich in diesem Bereich in einer Gruppe organisieren und durch forschendes Arbeiten das Thema „Energiegewinnung“ aufarbeiten. Die Ergebnisse sollen auf unterschiedliche Weise präsentiert werden. Weiters sollen sich die Schüler mit den ökologischen Folgen von Energiegewinnung beschäftigen und sich mit möglichen zukünftigen Alternativen auseinandersetzen.

Abschließend wird untersucht, ob die Wahl der Unterrichtsmethode zu einem Wissenszuwachs geführt hat. Zudem wird untersucht, ob die Schüler den Wert einer ökologisch sinnvollen Nutzung von Energiequellen erkannt haben und auch für die Zukunft als wichtig erachten.

Diese Ergebnisse werden am Ende der Projektarbeit mittels Fragebogen eruiert und ausgewertet.

Im Zuge dieser Aktionsforschung konnte ermittelt werden, dass die Schüler durch handlungsorientiertes Lernen motiviert an die Arbeit herangehen. Der Lernerfolg liegt weit über den Erwartungen, da die Schüler nicht nur im Fach „Technisches Seminar“ ihr Wissen erweiterten, sondern auch im Bereich Informatik und Präsentationstechnik. So wurden neue Programme erlernt und im Zuge dessen eine Homepage geschaffen. Zudem war die Motivation so groß, dass ein Großteil der Schüler sogar an zwei freien Nachmittagen an ihrer Homepage bastelte. Auch im Bereich der Werteerziehung und Wertebildung konnte man durch Gespräche heraushören, dass es für alle im Laufe des Projektes immer wichtiger wurde, mit den vorhandenen Energieressourcen verantwortungsvoll umzugehen. Somit ist auch hier der Wert „Nachhaltigkeit und intergenerationelle Gerechtigkeit“ vermittelt und erkannt worden.

2 Vorwort

Mein Dank gilt besonders meinem Direktor DPTS OSR Johannes Berger, der mir zu dieser Ausbildung geraten und mir diese auch ermöglicht hat.

An dieser Stelle sei auch die Schulbehörde (vor allem BSI Franz Weißenböck) erwähnt, die mich bei meinem Studium durch Gewährung der Dienstreiseanträge unterstützt hat. Abschließend ein Dank an das Team der LBS Eibiswald und der PH Steiermark - insbesondere Herrn Dir. Ing. Wolfgang Schwarzl, Dipl. Päd. Ing. Andreas Maierhofer, Dr. Nikolaus Cliotis und Frau Sabine Fritz für die hervorragende Betreuung - auch außerhalb der normalen „Geschäftszeiten“!

Danke!

3 Einleitung

Ein wesentlicher Bestandteil der Elektrotechnik ist die Energieerzeugung.

Wobei bekanntlicherweise Energie nicht erzeugt, sondern nur von einer Energieform in eine andere Energieform umgewandelt werden kann. Dieser wichtige Satz wurde von Julius Robert Mayer postuliert und hat seither Gültigkeit (vgl. Zahoransky, 2010, S. 6). Unsere Gesellschaft kommt heute nicht mehr ohne funktionierende Stromversorgung aus. Mehrere Quellen weisen darauf hin, dass der Energiebedarf noch weiter ansteigt - auf diesen Aspekt wird in dieser Arbeit an einer späteren Stelle noch ausführlicher eingegangen. Daher stellt sich auch die Frage nach der zukünftigen Abdeckung des Energiebedarfs unter Berücksichtigung ökologischer und nachhaltiger Gesichtspunkte. Fossile Energieträger (Erdöl, Erdgas und Kohle) stehen nicht endlos zur Verfügung und tragen zusätzlich zu einem Ungleichgewicht der weltweiten CO2- (Kohlendioxid) Bilanz bei.

So verweist Zahoransky (2010, S. 23) darauf, dass die heutige weltweite Energiegewinnung noch weit von einer gewissen Nachhaltigkeit entfernt ist. Der steigende Energiebedarf von Schwellen- und Entwicklungsländern muss gedeckt werden. Fossile Energieträger werden weiter verbraucht, daher auch der CO2-Ausstoß nicht reduziert und somit der Treibhauseffekt weiter gefördert. Würde in den Industriestaaten die CO2-neutrale Kernenergie reduziert werden, führte dies wiederum zu einer Verschlechterung der Kohlendioxidbilanz, da fehlende Energie möglicherweise durch fossile Energieträger ausgeglichen werden müsste.

Wie nun eingangs schon ersichtlich, ist das Thema „Energiegewinnung“ ein aktuelles, aber auch brisantes Thema in unserer Gesellschaft geworden. Und speziell die SchülerInnen des Fachbereiches Elektrotechnik werden sich in ihrem zukünftigen Berufsleben verstärkt damit beschäftigen müssen, denn so ist etwa die Energiegewinnung aus Photovoltaik keine Zukunftsvision mehr, sondern bereits Alltag und „das tägliche Brot“ vieler ElektrikerInnen.

Die vorliegende Arbeit setzt sich mit der Energiegewinnung aus den vier

(philosophischen) Grundelementen und den dadurch entstehenden Problemen auseinander. Den Abschluss bildet ein Resümee.

3.1 Die vier Elemente

Die Welt zu strukturieren, sie begreiflich zu machen und einzuteilen - genau dies ermöglichte die Einteilung der Natur in vier Elemente: Erde, Wasser, Feuer und Luft. Empedokles (gelebt etwa von 483/82 - 424/23 v. Chr.) war griechischer Philosoph und prägte den Begriff der vier Elemente für den europäischen Raum (vgl. Böhme, 2004, S. 93).

Die Elementenlehre war lange Zeit Grundlage unserer europäischen Gesellschaft - in den Bereichen der Kunst, Literatur, Wissenschaft, Theologie und des Mythos findet man Hinweise auf die Verflechtung mit den vier Grundelementen (vgl. Böhme, 2004, S. 19).

Zwar verlor die Lehre der vier Elemente mit der modernen Wissenschaft und der Industrialisierung an Bedeutung, jedoch findet man auch heute wieder verstärkt Hinweise auf diese Lehre, speziell wenn es um Umweltanliegen geht (vgl. Böhme, 2004, S. 19).

Daher werden Energiequellen nachfolgend in die Elemente Feuer, Erde, Wasser und Luft eingeteilt und erläutert:

Feuer: Photovoltaik

Erde: Kernenergie Wasser: Wasserkraft Luft: Windenergie

3.2 Ökologie und Nachhaltigkeit

„Die Ökologie beschäftigt sich mit den Wechselbeziehungen der Lebewesen untereinander und zu ihrer unbelebten Umwelt.“ (Gärtner, 2006, S. 283)

Der Mensch greift mit der Gestaltung seiner Umwelt gleichzeitig auch in die Umwelt der Tiere und Pflanzen ein. So ist auch die Energiegewinnung ein Eingriff in das globale Ökosystem.

„Ein Ökosystem ist ein komplexes, dynamisches System, in dem es zahlreiche Wechselbeziehungen zwischen den dort vorkommenden belebten Faktoren […] und den Faktoren des unbelebten Lebensraums […] gibt.“ (Gärtner, 2006, S. 283) Die Gewinnung elektrischer Energie aus fossilen Brennstoffen führt zu einer übermäßigen Freisetzung u. a. von Kohlendioxid und somit zu einer zusätzlichen Belastung der Umwelt.

So ist die durchschnittliche Temperatur seit Beginn der Industrialisierung um 0,8°C gestiegen. Die Auswirkungen dieses Temperaturanstieges sind bereits erkennbar: Abschmelzen des Polareises, Wetterextreme und Wirbelstürme nehmen zu (Schildt, 2008, S. 2-3).

Daher ist es notwendig geworden, regenerative (= erneuerbare) Energiequellen zu finden und zu nützen um eine nachhaltige Energiewirtschaft zu ermöglichen und dadurch nachfolgende Generationen nicht zusätzlich zu belasten und zu schädigen, sondern vielmehr eine gleichbleibende bzw. eine verbesserte Lebensqualität zu erzielen.

3.3 Energieversorgung in Österreich

Österreichische Energieverbraucher werden über verschiedene Leitungen mit elektrischer Energie versorgt. So berichtet die E-Control Austria über das Ausmaß des heimischen Versorgungsnetzes im Jahr 2009:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Stromversorgung in Österreich

Quelle: E-Control Austria: http://www.e-control.at/de/statistik/strom/bestandsstatistik/ VerteilungsErzeugungsanlagen2009 ( 06.01.2011)

Im Rahmen des Unterrichts kann man mit obiger Statistik weiterführende Diskussionen über die Auswirkungen von Hoch- und Höchstspannungsleitungen auf die menschliche Gesundheit bzw. auch Aus- wirkung auf den Tourismus führen. So verweist der aktuelle Lehrplan der PTS auch darauf, Querverbindungen zu den Fachgegenständen Gesundheitslehre, Naturkunde und Ökologie zu schaffen (vgl. bmukk, 2008, S. 38).

In Schulbüchern der PTS findet sich meist auch ein Grundschema der österreichischen Energieversorgung. Dieses zeigt zwar nur plakativ - dafür aber übersichtlich - wie

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: „ Grundschema des elektrische Energie vom Kraftwerk zu den Stromtransports “ Verbrauchern kommt. Quelle: VE Ö, 1997, Folie 5.11.

Einen weiteren Überblick bietet folgende Statistik der E-Control Austria. In dieser wird dargestellt, nach welchen Verfahren sich die heimische Energieerzeugung im Jahr 2009 aufgeteilt hat. Dabei wird von der Engpassleistung (= maximale Dauerleistung eines Kraftwerks) ausgegangen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: Kraftwerkspark

Quelle: E-Control Austria: http://www.e-control.at/de/statistik/strom/bestandsstatistik/ VerteilungsErzeugungsanlagen2009 (06.01.2011)

Aus dieser Quelle ist ersichtlich, dass der österreichische Strom großteils aus Wasserkraft erzeugt wird.

Der tatsächliche Strombedarf im Jahr 2008 betrug etwa 63,5 TWh (vgl. e-Control Austria (2010): http://www.e-control.at).

Aus nachfolgender Tabelle lässt sich ablesen, dass Österreich, über das ganze Jahr gesehen, zu wenig Energie erzeugt und auf Stromimporte aus dem Ausland angewiesen ist:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4: Stromtransport

Quelle: E-Control Austria: http://www.e-control.at/de/statistik/strom/bestandsstatistik/ VerteilungsErzeugungsanlagen2009 (06.01.2011)

Speziell in den Wintermonaten ist ein Stromimport nötig, da die Wasserkraftwerke von den vorhandenen Wassermengen abhängig sind.

4 Feuer

4.1 Überblick über die Gewinnung von elektrischer Energie aus dem Element „Feuer“

Die Einteilung zu den einzelnen Elementen ist natürlich frei gewählt und überschneidet sich mit anderen Elementen. Trotzdem wurde versucht das Ausgangsmaterial der Energiegewinnung einem Element zuzuordnen.

So lässt sich das Element „Feuer“ durchaus mit Photovoltaik in Verbindung bringen, da als Energiequelle unsere Sonne steht. Schwieriger wird es bei Wärmekraftwerken wo zwar auch das Feuer als Energielieferant wirkt, dort jedoch als Ausgangsmaterialien Elemente der Erde (Kohle, Erdöl, Erdgas oder deren Folgeprodukte) verwendet werden.

4.2 Funktionsweise von Photovoltaikanlagen

Unumstritten ist die Sonne für die Menschheit ein wichtiger Energielieferant. Für die Erzeugung elektrischer Energie wird die Sonne zunehmend interessanter - eine nähere Erklärung folgt im Kapitel 5.3.

Technisch wird die Sonne heute zur Gewinnung von Warmwasser (solarthermische Nutzung) und Stromgewinnung (photovoltaische Nutzung) verwendet. Im nachfolgenden Kapitel wird die Funktionsweise der Photovoltaik beschrieben.

4.2.1 Unsere Sonne

Unsere Sonne gilt schon seit langer Zeit als Symbol für Gesundheit und Leben. Bereits die Ägypter verehrten daher den Sonnengott Aton (1350 v. Chr.). Die Sonne treibt tatsächlich atmosphärische Prozesse wie Verdunstung, Wind und Meeresströmungen an (vgl. Bollin in Zahoransky, 2010, S. 277).

Die Sonne ist ein Fixstern mit einer Oberflächentemperatur von etwa 5.600°C und besteht aus den Elementen Wasserstoff und Helium. Die an der Sonnenoberfläche bei der Kernfusion von Wasserstoff zu Helium entstehende Energie von etwa 62.000 kW/m² breitet sich im Weltall aus (vgl. Übelacker, 2010, S. 28).

Von dieser Energiemenge treffen etwa 1,367 kW/m² auf unsere Erdatomsphäre und in unseren Breiten (Süddeutschland) kann man auf der Erdoberfläche mit einer Jahresleistung von etwa 1100 kWh/m² (Globalstrahlung) rechnen (vgl. Bollin in Zahoransky, 2010, S. 277/282).

Bei der Solarstrahlung unterscheidet man zwischen:

a) direkter Strahlung
b) diffuser Strahlung
c) Globalstrahlung

Unter „direkter Strahlung“ versteht man gerichtete (nicht gestreute) Strahlung, wohingegen man mit „diffuser Strahlung“ ungerichtete (gestreute) Strahlung meint. Der Begriff „Globalstrahlung“ ergibt die Summe aus direkter und diffuser Strahlung (vgl. Bollin in Zahoransky, 2010, S. 282).

4.2.2 Funktionsweise von Solarzellen

Der „photovoltaische Effekt“ wurde bereits 1839 von dem französischen

Wisschenschaftler Becquerel entdeckt und 1930 theoretisch von Schottky beschrieben. Doch erst in den 1950er Jahren wurde die Solarzelle für den Einsatz im Weltall zur technischen Reife gebracht. Seit der anfänglichen Entwicklung bis zum Jahr 2000 hat sich jedoch der Wirkungsgrad von nur einigen Prozent auf bis zu 24% erheblich verbessert (vgl. Bollin in Zahoransky, 2010, S. 298).

Solarzellen werden heute hauptsächlich aus hochreinem Silizium hergestellt. Dieses Halbleiterelement eignet sich für diesen Zweck besonders gut (vgl. Bollin in Zahoransky, 2010, S. 299).

Silizium (lat. für Kiesel) wurde 1822 von Berzelius entdeckt. In der Erdrinde bildet es mit einem Anteil von 27,7% das zweithäufigste Element der Erde. Silizium kommt in der Natur als Siliziumdioxid (SiO2), besser bekannt als Kieselstein oder Quarzsand, vor (vgl. Groteklaes in Schwister, 2010, S. 324).

Silizium ist den Elementhalbleitern zuzuordnen. Halbleiter bilden eine kristalline Struktur und sind tetraedisch angeordnet. Silizium hat vier Außenelektronen und teilt sich mit dem im Raumgitter nächsten Atom weitere vier Außenelektronen - so wird die von allen Elementen angestrebte Edelgaskonfiguration (acht Außenelektronen) erreicht. Durch Wärmezufuhr (oder auch durch Lichteinwirkung) werden einige Elektronenpaarbindungen aufgebrochen und es entstehen „Elektronenlöcher“. Diese können durch andere frei gewordene Elektronen aufgefüllt werden (Rekombination) - es kommt zur Elektronenwanderung und somit gleichzeitig zu einem Stromfluss (vgl. Lindner, 1999, S. 227-228).

Um diesen Effekt noch zu verstärken werden Halbleiter mit anderen Elementen dotiert („verschmutzt“). Durch Dotierung ergibt sich eine p-Schicht und eine n-Schicht (vgl. Bollin in Zahoransky, 2010, S. 299).

Das dreiwertige Bor erzeugt durch Fehlen eines Elektrons einen Elektronenmangel und bildet die positive p-Schicht. Die negativ geladene n-Schicht wird dadurch erreicht, dass ein fünfwertiges Element (z. B. Phosphor) ins reine Silizium eingebracht wird und somit ein zusätzliches freies Elektron verfügbar ist (vgl. Lindner, 1999, S. 229). Am Übergang zwischen der p- und n-Schicht (Sperrschicht oder auch Grenzschicht) füllen die überschüssigen Elektronen der n-Schicht die Löcher der angrenzenden p- Schicht auf - es kommt dadurch zu einer Trennung der Ladungsträger.

Durch die Bestrahlung mit Sonnenlicht kommt es zu einer Bewegung der Ladungsträger. In Folge der Ladungstrennung baut sich zwischen den Schichten eine Spannung auf.

Ist die Durchbruchspannung erreicht, ist der Halbleiter in Durchlassrichtung durchgängig und es kommt zu einem Stromfluss (vgl. Bollin in Zahoransky, 2010, S. 299).

Zur einfacheren Erklärung des Halbleitereffekts findet man sehr gute Arbeitsblätter im Internet (z.B.: http://www.zum.de/dwu).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 5: Sperrschicht eines Halbleiterbauteils

Quelle: DWU,

http://www.zum.de/dwu/ umapet.htm ( 17.04.2011)

Die gewonnene Gleichspannung wird über einen Wechselrichter in das Stromnetz eingespeist. Der Wechselrichter übernimmt dabei folgende Aufgaben:

a) die Umwandlung der Gleichspannung in die netzübliche Wechselspannung;
b) Angleichung von Frequenz, Phasenlage und Spannungshöhe;
c) Abschaltung bei netzseitigem Ausfall (damit keine Retourspannung entsteht);

In abgelegenen Gegenden dient die Photovoltaik mittlerweile als alleinige Stromversorgungsquelle. Dabei werden sogenannte „Inselsysteme“ oder auch „Stand Alone Systems“ installiert, welche aufwendig die Energieversorgung sicherstellen (z.B. in Almhütten) (vgl. Bollin in Zahoransky, 2010, S. 306-307).

4.2.3 Solarzellentechnologien:

Technisch werden heute drei Arten von Solar-zellentypen unterschieden: Monokristalline, polykristalline und amorphe Siliziumzellen. Der Reinheitsgrad beim so- genannten Solarsilizium beträgt dabei 99,99998%. Interessant dabei ist, dass sich bei diesem Reinheitsgrad im Durchschnitt unter 10 Mio. Siliziumatomen nur zwei Fremdatome befinden. Monokristalline Solarzellen be- stehen aus einem sogenannten „Einkristall“, wohingegen polykristalline Zellen aus unterschiedlichen Kristall- strukturen gebildet werden. Bei amorphen (nicht kristallinen) Solarzellen, kann das Silizium die Sonnen- strahlen direkt absorbieren (aufnehmen). Dieser Zelltyp kann somit technisch als Dünnschichtplatte ausgeführt

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 6: Solarzellentypen

werden (vgl. Bollin in Zahoransky, 2010, S. 299-300).

Quelle: VE Ö, 1997, Folie 6.3.

Durch das unterschiedliche Herstellungsverfahren entsteht auch das typische Aussehen der verschiedenen Solarzellen (s.r.).

Der Unterschied liegt aber nicht nur im Herstellungsverfahren, sondern vielmehr auch im Wirkungsgrad:

Tabelle 1: vgl. Bollin in Zahoransky, 2010, S. 300

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Unter dem Begriff Wirkungsgrad versteht man das Verhältnis aus der abgegebenen Nutzleistung und der zugeführten Leistung (vgl. Lindner, 1999, S. 31). Multipliziert man den daraus resultierenden Quotienten mit der Zahl 100 erhält man den Wirkungsgrad in Prozent.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Wirkungsgrad eines elektrisch genützten Bauteils oder einer Maschine kann niemals über 100 % (oder dem Wert 1) liegen.

4.3 Photovoltaik aus ökologischer Sicht

Die Entwicklung moderner und effektiver Solarzellen läuft auf Hochtouren. Die Energiepreise werden sich in den nächsten paar Jahren stark verändern - betrachtet man alleine die Entwicklung der Rohölpreise. Deshalb soll nachkommende Aufgliederung die Vorteile und Nachteile der Nutzung von Sonnenenergie aufzeigen. Pro Photovoltaik:

- Während des Betriebes entstehen keine Abgase und kein Lärm.
- Silizium ist das zweithäufigste Element auf der Erde und daher als Rohstoff beinahe unerschöpflich.
- Energieversorgung vom Taschenrechner bis hin zu Inselsystemen (Berghütten, Wohnwägen,…) möglich.
- Energie kann tagsüber ins Stromnetz eingespeist werden und trägt somit zur Deckung der Spitzenlast bei.
- Neben der Wertsteigerung des Objekts ist eine Photovoltaikanlage ein gewisser Wirtschaftsfaktor für den Besitzer.

Contra Photovoltaik:

- Relativ niedrige Wirkungsgrade. Der Wirkungsgrad verringert sich zusätzlich im Laufe der Betriebszeit.
- In der Anschaffung teuer, wenn diese Anlagen nicht durch öffentliche Gelder gefördert werden.

5 Generatorprinzip

Nachfolgende Energiegewinnungsverfahren nützen zur Umwandlung Generatoren.

Ausgehend von einer Energiequelle, welche kinetische Energie (Bewegungsenergie) , potentielle Energie (Lageenergie) oder auch chemische Energie nützt, muss diese über Zwischenschritte in elektrische Energie umgewandelt werden.

Den letzten Schritt übernimmt dabei meist ein Generator, welcher kinetische Energie in elektrische Energie umwandelt.

5.1 Funktionsweise

Einem Generator liegt das Induktionsgesetz zu Grunde. Bewegt man in einer Spule (Wicklung aus Draht) einen Magneten so wird dadurch in der Spule eine Spannung induziert (vgl. Duenbostl, 1997, CD Elektropolis).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 7: Magnetfeld in einer Spule

Quelle: Duenbostl, 1997, CD Elektropolis

Generatoren werden heute meist als Innenpolgeneratoren aufgebaut. Dabei wird ein Elektromagnet (Läufer oder Rotor) im Inneren zwischen Spulen (Stator) bewegt. In der ersten Abbildung unten sieht man, dass die Spulen um 120 ° versetzt aufgebaut sind - diese ergeben die typische Phasenverschiebung beim Drehstrom, auch bekannt als Dreiphasenwechselstrom (vgl. Duenbostl, 1997, CD Elektropolis).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 8: Drehstromerzeugung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 9: Innenpolgenerator

Quelle: Duenbostl, 1997, Quelle: Duenbostl, 1997,

CD Elektropolis CD Elektropolis

Die voraussichtliche Drehzahl bestimmt auch den Aufbau des Generators.

Normalerweise werden zweipolige Generatoren gebaut. Diese liefern die netzübliche Frequenz von 50 Hz (vgl. Zahoransky, 2010, S.66).

Um die benötigte Drehzahl (n) zu bestimmen, verwendet man nachfolgende Berechnungsformel:

Die Drehzahl ergibt sich aus dem Produkt der Zahl 60 (Umrechnungsfaktor von Sekunden auf Minuten) und der Frequenz (f). Dieses Produkt wird nun durch die Polpaarzahl (p) dividiert. Bei einem Generator mit nur einem Polpaar (zweipolig) und einer zu erreichenden Frequenz von 50 Hz ist dazu eine Drehzahl von 3.000 U/min notwendig (vgl. Duenbostl, 1997, CD Elektropolis).

6 Erde

6.1 Überblick über die Gewinnung von elektrischer Energie aus dem Element „Erde“

Unserer Erde bietet vielerlei Rohstoffe zur Energiegewinnung - etwa das Holz für Biomassekraftwerke, oder aber auch Erdöl und Kohle für thermische Kraftwerke. Letztere Rohstoffe lassen keine Diskussion mehr über eine zukunftsorientierte und gesicherte Energiegewinnung zu. Auch könnte man Müllverbrennungsanlagen zu den heutigen Energieerzeugern zählen, aber auch hier ist die CO2 Bilanz negativ, da ein Großteil des Mülls aus dem Ausgangsmaterial Erdöl hergestellt wird. Im nachstehenden Kapitel wird jedoch eine Energiequelle näher beschrieben, die sicher keineswegs weniger umstritten ist: Kernenergie.

Von den weltweit 441 Reaktoren stehen 199 in Europa. Diese liefern für den europäischen Raum 172.028 MW. Das Land mit den weltweit meisten Kraftwerken ist mit 103 Reaktoren die USA. In Europa führt Frankreich mit 59 Reaktoren. (Stand 2006) (vgl. Zivilschutz, 2007, S. 18).

Interessant ist auch, dass im anscheinend atomkraftfreien Österreich ein Kernkraftwerk betrieben wird.

1978 wurde zwar die Inbetriebnahme des Atomkraftwerks Zwentendorf verhindert, jedoch läuft, kaum wahrgenommen, mitten im Wiener Prater ein kleiner Reaktor der Universität Wien. 1962 wurde der Forschungsreaktor „TRIGA Mark II“ in Betrieb genommen und dient seither als Forschungsreaktor (vgl. Science ORF, http://science.orf.at/stories/1637757/?page=3 (30.01.2011).

Eine weitere wichtige Frage im Zusammenhang mit Atomkraft ist die Beseitigung bzw.

Wiederaufbereitung der abgebrannten Brennelemente und die damit verbundene radioaktive Strahlung.

Jedoch dient die Kernspaltung nicht nur der friedlichen Nutzung zur Energiegewinnung, sondern wird auch für militärische Zwecke missbraucht. Dies wurde ja bereits 1945 in Hiroschima und Nagasaki auf grausame Art verdeutlicht.

6.2 Begriffserklärungen im Zusammenhang mit Radioaktivität

- Radioaktivität und Strahlung

Heute sind 115 Elemente bekannt deren Kerne ohne fremden Einfluss zerfallen und dabei neue Kerne bilden - diese Eigenschaft wird als Radioaktivit ä t bezeichnet. Zerfällt ein Kern wird Strahlung frei. Dabei unterscheidet man zwischen Alpha-, Beta- und Gamma- - - -Strahlung (vgl. Zivilschutz, 2007, S. 9). Alpha-Strahlen bestehen aus einem Paket von zwei Protonen und zwei Neutronen (vgl. Übelacker, 1995, S. 16).

Diese Strahlung breitet sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 15.000 km/s aus und ihre Reichweite beträgt in Luft nur einige wenige Zentimeter. Alpha-Strahlung kann schon durch ein Blatt Papier abgeschirmt werden (vgl. Zivilschutz, 2007, S. 9). Beta-Strahlung besteht aus Elektronen (vgl. Übelacker, 1995, S. 16). Diese Strahlung erreicht in der Luft schon eine Reichweite von einigen Metern. Einige Blätter Papier reichen schon zur Abschirmung dieser Strahlung, jedoch durchdringt Beta-Strahlung bereits die Haut bzw. kann oral aufgenommen Schädigungen hervorrufen (vgl. Zivilschutz, 2007, S. 10).

Gamma-Strahlen bestehen aus elektromagnetischen Wellen und sind mit Radiowellen zu vergleichen - nur mit dem Unterschied, dass diese Strahlen wesentlich energiereicher sind. Diese Strahlung kann durch zentimeterdicke Bleiabschirmungen bzw. dickes Mauerwerk jedoch nur noch abgeschw ä cht werden (vgl. Zivilschutz, 2007, S. 10).

- Halbwertszeit

Man unterscheidet grundsätzlich zwischen physikalischer, biologischer und effektiver Halbwertszeit. Unter physikalischer Halbwertszeit ist jene Zeit zu verstehen, in der die Hälfte der ursprünglichen Menge eines radioaktiven Stoffes zerfallen ist. Hingegen versteht man unter biologischer Halbwertszeit jene Zeit, in der die Hälfte eines aufgenommenen radioaktiven Stoffes vom Körper wieder ausgeschieden wird. Die effektive Halbwertszeit ergibt sich aus den beiden oben genannten Halbwertszeiten und gibt Auskunft über die Gefährdung des menschlichen Körpers (vgl. Zivilschutz, 2007, S. 11).

Typische (physikalische) Halbwertszeiten radioaktiver Stoffe:

Tabelle 2: vgl. Zivilschutz, 2007, S. 11

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

- Nuklide bzw. Isotope

Die Anzahl der Protonen im Atomkern bestimmt die Zugeh ö rigkeit zu einem bestimmten Element - so hat das einfachste Element Wasserstoff nur ein einzelnes Proton im Kern (lat. nukleus). Vom Element Wasserstoff kennt man jedoch heute bereits zwei weitere Isotope - das Deuterium (+1 Neutron im Kern) und das Tritium (+2 Neutronen im Kern). Somit unterscheiden sich die drei Isotope (Nuklide) des Wasserstoffs nicht in der Anzahl der Protonen sondern nur in der Anzahl der Neutronen im Kern - dies ist auch bei allen anderen Elementen so. Zwei weitere wichtige Begriffe geben Auskunft über den Aufbau des Atomkerns. So wurde für die Anzahl der Protonen im Kern der Begriff Ordnungszahl geprägt und für die Gesamt- anzahl an Teilchen im Kern (Summe der Protonen und Neutronen) der Begriff Massenzahl. Damit ist verständlich, warum bei der Beschreibung verschiedener Isotopen die Massenzahl angehängt wird: Uran-234, Uran-235 oder aber auch Uran- 238. Die Ordnungszahl (Protonenanzahl) hingegen beträgt bei Uran stets 92 (vgl. Überacker, 1995, S. 14).

- Strahlendosis und Strahlenschäden

Um die gesundheitlichen Folgen von ionisierter (energiereicher) Strahlung auf den menschlichen Körper abschätzen zu können wurde der Begriff Strahlendosis eingeführt. Die maßgebliche Einheit für die Strahlendosis ist Sievert (Sv). Sie berücksichtigt die einwirkende Art der Strahlung ebenso wie die Strahlen- empfindlichkeit der betroffenen Organe im Körper (vgl. Zivilschutz, 2007, S. 11). Radioaktive Strahlung kann neben akuten Schäden auch langfristige Schädigungen (Spätschäden) des Körpers hervorrufen. Folgende Tabelle listet die Akutsch ä den in Abhängigkeit der dazugehörigen Strahlendosis auf:

Tabelle 3: Zivilschutz, 2007, S. 12

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Akute Strahlensch ä den treten speziell dann auf, wenn auf den Körper, unter

Berücksichtigung der Einwirkzeit, plötzlich hohe Strahlungsdosen von einigen hundert bis tausenden mSv einwirken. Zu den akuten Strahlenschäden zählt man etwa den sogenannten Strahlenkatar mit Übelkeit und Erbrechen, Schleimhautentzündungen, Fieber bis hin zum Strahlentod (vgl. Zivilschutz, 2007, S. 12).

Wird der Körper einer niedrigen bis mittleren Strahlendosis ausgesetzt, treten die Symptome von Sp ä tsch ä den erst Jahre bis Jahrzehnte später auf. Die Strahlung schädigt dabei Zellen im Körper und verändert ihre „Programmierung“. So können aus normalen Körperzellen bösartige Krebszellen entstehen oder in Keimzellen die Erbinformation geschädigt werden, sodass Missbildungen bei Neugeborenen die Folge sein können (vgl. Zivilschutz, 2007, S. 12).

6.3 Gewinnung von Brennmaterial

Grundsätzlich dient in Atomkraftwerken Uran als Brennstoff.

Uran kommt mit einem Anteil von 3 x 10-4 % in der Erdrinde vor, wobei das Uranisotop U-238 zu 99,28% in der Natur auftritt. Die Isotope U-235 (0,72%) und U-234 (0,0055%) sind dabei wesentlich seltener vertreten (vgl. Groteklaes in Schwister, 2010, S. 421). Interessant dabei ist, dass man aus einem Kilogramm Uran der Sorte U-235 dieselbe Energie gewinnt, wie aus 67 Kesselwaggons welche mit je 30 Tonnen Heizöl gefüllt sind (vgl. Übelacker, 1995, S. 2).

Die Gewinnung von Brennmaterial erfolgt über folgende Stufen:

- Uran-Bergbau

Uran wird in den größten Uranminen der Erde (Kanada, Australien und Niger) ab- gebaut und aus dem Erz herausgelöst - dabei entsteht der sogenannte „Yellow Cake“ (vgl. Schurig, 2003, S. 2).

Der „Yellow Cake“ weist hier dann bereits eine Urankonzentration von über 70% auf. Rentabel wird der Abbau erst dann, wenn zumindest einige Kilogramm Uran aus einer Tonne Gestein geholt werden können (vgl. Übelacker, 1995, S. 33).

- Anreicherung

Da natürliches Uran bzw. der „Yellow Cake“ nur rund 0,7% an spaltbarem U-235 enthält, muss es auf drei bis fünf Prozent aufkonzentriert (angereichert) werden. Dabei entsteht auf chemischem Wege Uranhexaflurid (UF6) (vgl. Schurig, 2003, S. 2).

- Brennelemente-Herstellung

Das angereicherte Material wird in Urandioxid (UO2) umgewandelt und zu Pellets (Tabletten) gepresst. Die etwa 1,5 cm hohen und 1 cm breiten zylindrischen Stücke werden dann in die Brennstabhüllen eingefüllt (vgl. Übelacker, 1995, S. 35).

[...]

Details

Seiten
74
Jahr
2011
ISBN (eBook)
9783656052616
ISBN (Buch)
9783656052593
Dateigröße
5.4 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v177976
Institution / Hochschule
Pädagogische Akademie des Bundes in der Steiermark
Note
Sehr gut
Schlagworte
Schülerprojekt Polytechnische Schule Projektorientierter Unterricht Handlungsorientierter Unterricht Energiequellen Feuer Erde Wasser Luft

Autor

Teilen

Zurück

Titel: Energiegewinnung aus den vier Elementen