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Energiegewinnung aus erneuerbaren Energieträgern 10:58 min

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Transkript Energiegewinnung aus erneuerbaren Energieträgern

Hallo und herzlich willkommen. Heute werden wir uns anschauen, wie man aus erneuerbaren Energiequellen Energie gewinnen kann. Dabei wirst du erst lernen, was es für erneuerbare Energiequellen gibt. Danach wirst du einige Arten von Kraftwerken kennenlernen, mit denen man aus erneuerbaren Energiequellen Energie gewinnen kann. Dabei schauen wir uns folgende Kraftwerke genau an: Photovoltaikanlagen, solarthermische Kraftwerke, Geothermie-Anlagen und Gezeitenkraftwerke. Für das Verständnis dieses Videos ist es hilfreich, wenn du schon ein bisschen etwas über Energieumwandlung, Energieträger und über den Wirkungsgrad weißt. So, damit kann es dann auch schon losgehen. Als erneuerbare Energien bezeichnet man Energieträger, die praktisch unerschöpflich zur Verfügung stehen oder sich verhältnismäßig schnell erneuern. Im Gegensatz dazu gibt es noch fossile Energien. Sie sind nur begrenzt vorhanden und brauchen viel mehr Zeit, sich zu erneuern, als es dauert, sie abzubauen und zu nutzen. Ein Beispiel für eine fossile Energiequelle ist Öl. Wenn eine fossile Energiequelle einmal aufgebraucht ist, kann man sie nicht weiter nutzen. Deshalb ist es wichtig, erneuerbare Energiequellen zu haben, um eine sichere Versorgung mit Energie gewährleisten zu können. Es gibt drei Quellen für erneuerbare Energie: die Sonne, die Geothermie und die Gezeitenkraft. Die Sonne strahlt Energie ab, die man auf unterschiedliche Weise in nutzbare Energie umwandeln kann. Geothermie bedeutet, dass es im Inneren der Erde wärmer ist als auf der Oberfläche, auf der wir Menschen uns befinden. Diese thermische Energie kann genutzt werden, um zum Beispiel im Winter Häuser zu heizen. Dann gibt es noch die Gezeitenkraft. Aufgrund der Anziehung zwischen Erde und Mond sowie Erde und Sonne bewegt sich das Wasser der Meere ständig. In diesen Strömungen steckt kinetische Energie, die man mit Rotoren ähnlich denen von Windrädern in elektrische Energie umwandeln kann. Nun werden wir uns anschauen, wie man die Energie aus erneuerbaren Energiequellen in nutzbare Energie umwandeln kann. Eine der bekanntesten Methoden ist dabei die Umwandlung der Strahlungsenergie der Sonne in elektrische Energie durch Photovoltaikanlagen, auch Solarzellen genannt. Die hast du sicherlich schon einmal auf ein Häuserdach gesehen. Sie sind meistens dunkelblau und in viereckigen Zellen angeordnet. Photovoltaikanlagen bestehen aus halbleitenden Materialien, meistens Silizium. Die Elektronen dieses Materials befinden sich im Grundzustand im sogenannten Valenzband des Halbleiters. Setzt man diese dann Strahlung aus, so wird das Elektron vom Valenzband in das Leitungsband angeregt. Im Leitungsband ist es frei und kann durch eine angelegte Spannung abgeführt werden. Man kann also sagen, dass die Strahlungsenergie der Sonne dafür verwendet wird, um freie Ladungsträger zu erzeugen. Trennt man entgegengesetzt geladene Ladungsträger voneinander, so entspricht das elektrischer Energie. Die Strahlungsenergie der Sonne wurde also in elektrische Energie umgewandelt. Genauso, wie man Strahlungsenergie dazu verwenden kann, um Ladungsträger zu trennen, wird diese auch wieder frei, wenn zwei Ladungsträger sich wieder zusammenfinden, sprich rekombinieren. Dadurch wird ein Teil der eingestrahlten Energie wieder in Strahlung umgewandelt, die nicht genutzt werden kann. Außerdem wird ein Teil der Strahlungsenergie in Wärme umgewandelt, da sich die Solarzelle erwärmt. Solarzellen haben in der Praxis einen Wirkungsgrad zwischen 20 und 30 Prozent. Wenn man Sonnenenergie in elektrische Energie wandelt, hört sich das erstmal ganz gut an, da die Sonne ja sowieso scheint. Man muss allerdings auch die sogenannte graue Energie beachten. Unter grauer Energie versteht man diejenige Energie, die für Herstellung, Transport, Lagerung, Verkauf und Entsorgung eines Produkts benötigt wird. Bei Photovoltaikanlagen ist die graue Energie sehr groß, da viel Energie für die Herstellung der Solarzellen benötigt wird, weshalb sie über einen sehr langen Zeitraum betrieben werden müssen, bis sie rentabel sind. Je nach Standort kann es mehrere Jahre dauern, bis sie eine größere Menge Strahlungsenergie in elektrische Energie umgewandelt haben als die Menge der grauen Energie. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, ist, die Solarzellen nicht aus Silizium, sondern aus organischen Materialien herzustellen. Dann braucht man wenig Energie, um sie herzustellen, und sie sind außerdem weniger umweltschädlich. Allerdings ist der Wirkungsgrad noch relativ gering. Eine andere Art, aus der Strahlungsenergie der Sonne nutzbare Energie zu gewinnen, sind Solarthermie-Kraftwerke. In ihnen wird die Strahlungsenergie genutzt, um eine Flüssigkeit zu erhitzen und zu verdampfen. Dieser Dampf treibt dann Turbinen an, die elektrische Energie erzeugen. Wie bei den meisten Energieumwandlungsprozessen kommt es auch hier zu Wärmeverlusten. Es gibt verschiedene Bauweisen für Solarthermie-Kraftwerke. In großen Anlagen werden dabei vor allem zwei Bauweisen angewandt: Parabolrinnenkraftwerke und Solarturmkraftwerke. In einem Parabolrinnenkraftwerk sind Parabolspiegel installiert. Parabolspiegel reflektieren das Sonnenlicht und konzentrieren es auf eine Achse. In dieser Achse verläuft dann ein Rohr mit einer Flüssigkeit, die durch die Hitze verdampft wird. In einem Solarturmkraftwerk sind viele Spiegel verbaut, die das Sonnenlicht reflektieren und auf einen Punkt auf einem Turm konzentrieren. In diesem Punkt wird dann auch wieder eine Flüssigkeit verdampft. Die beiden Bauarten verfolgen also das gleiche Prinzip, sie unterscheiden sich nur in der Ausführung. Die verdampfte Flüssigkeit treibt dann, wie schon gesagt, eine Turbine an, die die thermische Energie des Dampfes in elektrische umwandelt. Zur Zeit befinden sich nur wenige Solarthermie-Kraftwerke in Betrieb, es werden aber große Hoffnungen in diese Technologie gelegt. So gibt es zum Beispiel das groß angelegte Desertec-Projekt, das sich zum Ziel gesetzt hat, mittels Solarthermie elektrische Energie in Regionen der Welt mit viel Sonneneinstrahlung zu produzieren und diese dann in die Verbraucherzentren zu leiten. Das Problem ist dabei, dass in der Wüste die meiste Sonne scheint, in der Wüste leben aber kaum Menschen, es wird fast keine elektrische Energie verbraucht. Somit muss diese erst über weite Strecken transportiert werden. Dabei kommt es zu nicht unerheblichen Verlusten und es entstehen hohe Kosten für die Leitungen. Du siehst also: Die Solarthermie hat großes Potenzial, umweltfreundlichen Strom herzustellen, es existieren aber noch Probleme, die es zu lösen gilt. Wie du schon gesehen hast, ist die Sonne nicht die einzige Quelle erneuerbarer Energie. Man kann auch die Wärme im Inneren der Erde nutzen, um Energie zu gewinnen. Um Strom zu erzeugen, braucht man heißen Dampf, um damit eine Turbine anzutreiben. Die Temperatur steigt allerdings nur sehr langsam mit der Tiefe, im Schnitt 35 bis 40 Grad Celsius pro Kilometer. Allerdings kommt es an manchen Stellen in der Erdkruste zu einer sogenannten Wärmeanomalie. Hier ist die Temperatur schon in relativ niedrigen Tiefen sehr hoch. Wärmeanomalien kommen vor allem in der Nähe von Vulkanen vor. In diesen Gebieten liegt das Wasser dann schon als Dampf vor und kann direkt genutzt werden, um eine Turbine anzutreiben. Dazu wird der Dampf mithilfe von Rohren und Pumpen nach oben gepumpt, durch die Turbine geführt und dann zurück in die Erde geleitet. Ist das Wasser nicht heiß genug, um zu verdampfen, so kann man es auch direkt nutzen, um Gebäude zu heizen. Das kann auch in kleinem Maßstab bei privaten Haushalten genutzt werden, wobei hier kein Wasser aus der Erde entnommen wird. Bei dieser sogenannten oberflächennahen Geothermie wird eine Flüssigkeit in einem geschlossenen Rohrkreislauf in die Erde geleitet. Dort nimmt sie Wärme auf und transportiert diese zu einer Wärmepumpe. Die Wärmepumpe hebt die Energie auf ein höheres und somit nutzbares Energieniveau. Dies geschieht unter Hinzunahme mechanischer Energie. Als letztes wirst du jetzt noch sehen, wie ein Gezeitenkraftwerk funktioniert. In Gezeitenkraftwerken wandeln Rotoren kinetische Energie in elektrische. Das Prinzip ist das gleiche wie bei einem Windrad, nur dass der Rotor von Wasser und nicht von Luft angetrieben wird. Durch die Strömung überträgt das Wasser seine kinetische Energie auf den Rotor. Dieser beginnt sich zu drehen. An den Rotor ist ein Generator angeschlossen, der diese kinetische Energie in elektrische wandelt. Ein großer Vorteil von Gezeitenkraftwerken ist, dass die Meeresströmungen sich sehr genau vorhersagen lassen und man somit lange im Voraus bestimmen kann, wie viel Energie ein Gezeitenkraftwerk zu welcher Zeit produziert. Das ist vor allem ein entscheidender Vorteil gegenüber Wind- und Solarkraftwerken, die immer kurzzeitigen Wetterschwankungen unterliegen. Ein Nachteil von Gezeitenkraftwerken ist, dass sie sehr aufwändig im Bau sind. Es müssen sehr große Bauteile, teilweise auf offener See, installiert werden, was immer eine große technische Herausforderung darstellt. Aufgrund dessen und anderer Faktoren sind Gezeitenkraftwerke heutzutage auch noch unwirtschaftlicher als andere Arten von erneuerbaren Energien, das heißt, dass ein Gezeitenkraftwerk relativ wenig Gewinn abwirft. Es gibt noch viele weitere Möglichkeiten, Energie aus erneuerbaren Energiequellen zu gewinnen. Die vier hier Gezeigten sollen dir erstmal einen kleinen Überblick geben. Im Jahr 2012 wurden in Deutschland 12,6 Prozent der genutzten elektrischen Energie aus erneuerbaren Energiequellen gewonnen. So, was hast du heute gelernt? Erneuerbare Energie kann man aus der Strahlungsenergie der Sonne, aus Geothermie und aus der Gezeitenkraft gewinnen. Um die Strahlungsenergie der Sonne zu verwenden, kann man zum Einen Photovoltaikanlagen benutzen. In ihnen wird die Strahlungsenergie direkt in elektrische Energie umgewandelt. Oder man nutzt Solarthermie-Kraftwerke. Bei ihnen wird zuerst Dampf erzeugt, der dann eine Turbine antreibt. Die Strahlungsenergie geht also erst in innere Energie des Dampfes, dann in Bewegungsenergie der Teilchen und dann in elektrische Energie über. Beide Anlagen haben ihre Vor- und Nachteile. Bei der Geothermie wird genutzt, dass die Erde im Inneren heißer ist als auf der Oberfläche. Man kann dabei entweder Dampf aus dem Erdinneren nutzen, um Turbinen anzutreiben, oder man nutzt warmes Wasser, um Gebäude zu heizen. Außerdem gibt es noch Gezeitenkraftwerke. Sie nutzen die Strömungen in den Meeren, um mittels eines Rotors und eines Generators kinetische Energie in elektrische Energie zu wandeln. Das war es dann auch zum Thema Energiegewinnung aus erneuerbaren Energiequellen. Ich hoffe, du hast etwas gelernt. Tschüss und bis zum nächsten Mal.

1 Kommentar
  1. Sehr gutes Video. Hat mir geholfen die erneuerbaren Energien zu verstehen.

    Von N Weil, vor 3 Monaten

Energiegewinnung aus erneuerbaren Energieträgern Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Energiegewinnung aus erneuerbaren Energieträgern kannst du es wiederholen und üben.

  • Nenne Eigenschaften erneuerbarer Energien.

    Tipps

    Atomkraft wird aus dem Element Uran erzeugt.

    Lösung

    Was unterscheidet erneuerbar von nicht erneuerbar? Und wie kommt man an erneuerbare Energien heran?

    Nicht erneuerbare Energieträger, also fossile Energieträger bzw. Brennstoffe, sind begrenzt in der Erde enthalten. Sie entstanden über tausende von Jahren. Deshalb wird es für viele tausend Jahre keine fossilen Brennstoffe geben, wenn wir sie erst einmal verbraucht haben.

    Erneuerbare Energien dagegen sind unendlich auf der Erde verfügbar.

    Neben Windkraft und Solarenergie kann man mit der Geothermie die Erdwärme nahe von Vulkanen nutzen, um Wasser verdampfen zu lassen und damit einen Generator zu betreiben, der Strom erzeugt.

    Gezeitenkraftwerke dagegen arbeiten ähnlich wie Windräder, nur eben unter Wasser. Sie nutzen Ebbe und Flut bzw. die daraus entstehenden Strömungen, um Strom zu erzeugen.

    Die Atomkraft ist allerdings kein erneuerbarer Energieträger, denn dafür wird Uran verwendet. Das ist ein radioaktives Gestein, also nur begrenzt auf der Erde vorhanden. Zudem produzieren Atomkraftwerke zwar kein $CO_2$, aber hinterlassen dafür Atommüll, welcher bei schlechter Lagerung sehr gefährlich sein kann.

  • Unterscheide zwischen erneuerbarer und fossiler Energie.

    Tipps

    Atomkraft wird aus Uran gewonnen, einem radioaktiven Erz aus der Erde.

    Bei der Photovoltaik wird aus Solarenergie Strom produziert.

    Lösung

    Manche Formen der Energiegewinnung sind schadstofffrei und unerschöpflich, manche nicht.

    Erneuerbare Energien wie Windkraft, Solarenergien und Gezeitenkraft können unerschöpflich produziert werden.

    Energie aus Öl, Atomkraft oder Kohle verbraucht sich auf Dauer.

  • Berechne wie viel $\text{m}^2$ an Solarzellen benötigt wird, um alle deutschen Atomkraftwerke zu ersetzen.

    Tipps

    Bringe zuerst die Sonnenleistung pro $m^2$ in die gleiche Einheit wie die des AKW.

    Ein Jahr hat 365 Tage.

    Lösung

    Es wäre natürlich umweltfreundlicher, alle deutschen Atomkraftwerke durch Solarzellen zu ersetzen. Aber wie viele Zellen bräuchte man dafür? Hier die Antwort:

    Energie der Sonne pro Jahr pro $\text{m}^2$ beträgt:

    $E_s=120~\textrm{W}(365\cdot24)~\textrm{h}= 1051200~\textrm{Wh}$.

    Bei einer Effizienz von $20%$ ist das eine Energie pro $m^2$ von

    $E_s=0,2\cdot 1051200~\textrm{Wh}=2,1\cdot 10^2 ~\textrm{kWh}$.

    Die elektrische Leistung der AKWs beträgt $97,120\cdot 10^9~\textrm{kWh}$.

    Wir rechnen:

    $\dfrac{97,120\cdot 10^9~\textrm{kWh}}{1,7\cdot 10^2 ~\dfrac{\textrm{kWh}}{\text{m}^2}}=4,6 \cdot 10^8~\textrm{m}^2$.

    Um alle Atomkraftwerke Deutschlands zu ersetzen, bräuchte man also etwa $4,6 \cdot 10^8~\textrm{m}^2=4,6 \cdot 10^2~\textrm{km}^2$ an Solarzellen. Das entspricht etwas mehr als der Fläche der Stadt Bremen oder genauer: der Stadt Zerbst in Sachsen-Anhalt.

    Du kannst dir sicher vorstellen, dass es schwer ist, einen Solarpark in der Größe einer Großstadt zu bauen.

  • Ordne die Energieumwandlung im Gezeitenkraftwerk richtig an.

    Tipps

    Bei Energieumwandlungen entsteht meist Wärme als Nebenprodukt.

    Lösung

    In einem Gezeitenkraftwerk wird Energie mehrmals umgewandelt.

    Zuerst trifft das Wasser in Form von kinetischer Energie auf den Rotor. Dieser Rotor wandelt die kinetische Energie ebenfalls in kinetische bzw. mechanische Energie um. Dabei entsteht Wärme.

    In einem Generator wird diese mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Auch dabei entsteht Wärme.

  • Beschreibe die Funktion der Geothermie.

    Tipps

    Die meisten Kohle- und Atomkraftwerke etc. nutzen heißes Wasser, um etwas an zu treiben.

    Lösung

    In der Erde steckt jede Menge Energie in Form von Wärme, aber wie kommt man da ran und wie kann man aus Wärme Strom gewinnen?

    Nahe von Vulkanen ist die Erde sehr heiß. Diese Hitze kann man nutzen, um Wasser verdampfen zu lassen, sofern es nicht bereits verdampft unter der Erde vorhanden ist. Damit wird dann ein Generator angetrieben.

    An vielen Orten reicht die Energie aber lediglich zum Heizen. In einer Tiefe von 1 km hat die Erde eine Temperatur von 35-40°C. Leitet man Wasser hindurch, so kann man damit bereits heizen.

  • Erkläre die Photovoltaik und Solarthermie.

    Tipps

    Beachte bei dem Wort „Leitungsband" das Wort „Leitung".

    Flüssigkeit muss erhitzt werden, um einen Generator anzutreiben.

    Bei dem Wort „Thermie" geht es um Wärme.

    Lösung

    Solarzellen sind momentan sehr beliebt. Sie bestehen aus Halbleitern, in denen die Sonnenstrahlung die im Atom gebundenen Elektronen ins Leitungsband heben.

    Leider haben Solarzellen nur einen Wirkungsgrad von $20\%-30\%$. Ihre graue Energie, also die Energie, die zur Herstellung benötigt wird, ist ebenfalls recht groß, da Elemente wie Silizium aufwendig verarbeitet werden.

    Solarthermieanlagen sind bisher recht unbekannt, aber sehr leistungsfähig.

    Mithilfe von Spiegeln wird das Sonnenlicht auf ein mit Flüssigkeit gefülltes Rohr gebündelt. Dort dehnt sich diese Flüssigkeit aus und kann einen Generator betreiben.

    Für sie braucht man zwar sehr viel Sonne, aber ihre Produktion ist extrem leicht und umweltfreundlich.