Erneuerbare Energien Energiekiste
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Energiekiste Erneuerbare Energien
Impressum Begleitheft Energiekiste – Erneuerbare Energien Herausgeber: Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie Prinzregentenstraße 28 80538 München Tel.: 089 2162-0 Fax: 089 2162-2760 E-Mail: info@stmwi.bayern.de Internet: www.stmwi.bayern.de Bayerisches Landesamt für Umwelt (LfU) Bürgermeister-Ulrich-Straße 160 86179 Augsburg Tel.: 0821 9071-0 Fax: 0821 9071-5556 E-Mail: poststelle@lfu.bayern.de Internet: www.lfu.bayern.de Konzept und Text: LfU, Ökoenergie-Institut Bayern Bearbeitung: LfU, Ökoenergie-Institut Bayern Layout: LfU, Referat 13 Fotos: LfU Stand: März 2021 Die Materialien und Ausleihmöglichkeiten finden Sie im Energie-Atlas Bayern: www.energieatlas.bayern.de/thema_energie/bildung.html Die Anleitung zu den Aufgaben finden Sie hier: www.energieatlas.bayern.de/file/pdf/2819/Schuelerheft_EE.pdf
Erneuerbare Energien Inhalt Einführung und Ausleihe ......................................................................................................................................2 Übersicht Kisteninhalt ..........................................................................................................................................3 Information für Lehrerinnen und Lehrer .............................................................................................................4 Mitgelieferte Geräte – Kurzübersicht ..................................................................................................................6 Thema „Erneuerbare Energien“ ..........................................................................................................................8 Basics Gleichstrom ...............................................................................................................................................9 Thema – Elektrische Verbraucher ........................................................................................................................10 Thema – Optische Täuschungen .........................................................................................................................10 Thema – Sonnenenergie ......................................................................................................................................10 Thema – Windenergie ...........................................................................................................................................11 Thema – Wasserkraft ............................................................................................................................................11 Thema – Brennstoffzelle und Elektrolyseur .......................................................................................................12
Begleitheft Energiekiste Erneuerbare Energien
Einführung und Ausleihe
Konzeption und Ziel
Die Energiekiste „Erneuerbare Energien“ ist Alle Energiekisten sind über den Link
Teil der „Energiekisten“ des Bayerischen Landes- www.energieatlas.bayern.de/thema_energie/
amtes für Umwelt. Sie enthält einen Klassensatz bildung/energiekisten/Ausleihe ausleihbar.
(6 gleiche Kisten) mit Experimenten zum Thema
erneuerbare Energien. Die Ausleihe erfolgt in der Regel in Zeitslots für
jeweils zwei Wochen Nutzungsdauer. Mit der Be-
Die Kisten sind für die Sekundarstufe I und II stellung erkennen Sie die Nutzungsvereinbarung
konzipiert. Sie können über das Bayerische Lan- an.
desamt für Umwelt zur Ausleihe bestellt werden.
Die Kisten werden vorrangig an weiterführende Die Anleitung zu den Aufgaben finden Sie hier:
Schulen verliehen. In der Anleitung gibt es aber www.energieatlas.bayern.de/file/pdf/2819/
auch Aufgaben für die Grundschule. Schuelerheft_EE.pdf
Ziel dieser Kiste ist es, den Schülerinnen und Eine Lehrerversion mit Lösungen bekommen
Schülern (SuS) die Grundlagen der Stromerzeu- Sie als Link mit den Kisten zugeschickt.
gung durch die erneuerbaren Energien Sonne,
Wind und Wasser zu erklären. Die SuS können Die Vorteile des Ausleihsystems für Sie als Lehr-
zum Beispiel die Spannung und Stromstärke einer kräfte und für Ihre SuS:
Solarzelle messen und daraus die Leistung be-
rechnen und Kennlinien erstellen. Darüber hinaus - Geringer Vorbereitungsaufwand
sind Versuche mit einer reversiblen Brennstoffzelle - Gute Lehrplanintegration
enthalten. - Abwechslungsreiches und aktives Lernkonzept
- Gut ausgearbeitete Arbeitsmaterialien
- Übersichtlicher Inhalt
- Robuste Materialien und gute Verpackung
- Einfaches Ausleihsystem inkl. Versand
2
Erneuerbare Energien
Übersicht Kisteninhalt
3
Begleitheft Energiekiste Erneuerbare Energien
Information für Lehrerinnen und Lehrer
Lehrplanbezüge
Die Materialien eignen sich für den regulären Lehrplan sowie für schulart- und fächerübergreifende Bil-
dungs- und Erziehungsziele der „Bildung für nachhaltige Entwicklung“ und der „Ökonomischen Verbrau-
cherbildung“. Außerdem können sie für Projekttage und Projektarbeiten genutzt werden.
Die Einteilung in die Schulformen dient der Orientierung; eine Verwendung in nicht aufgeführten Schulfor-
men, Fächern oder bei anderen Altersstufen obliegt der Beurteilung durch die Pädagoginnen und Pädago-
gen.
Tabelle 1 – Bezüge zu den Lehrplänen an Mittelschule, Realschule und Gymnasium
Zielgruppe Mittelschule Realschule Gymnasium
Sekundarstufe 1 ÆÆGeschichte/Sozialkunde/ ÆÆGeschichte/Sozialkun- ÆÆGeschichte/Sozialkunde/
Erdkunde de/Erdkunde Geografie
bzw.
Klassenstufen ÆÆReligion/Ethik ÆÆReligion/Ethik ÆÆReligion/Ethik
7. bis 10. Klasse ÆÆNaturwissenschaften ÆÆMathematik, Naturwis- ÆÆNaturwissenschaften
(Physik/Chemie/ senschaften (Physik/ (Physik/Chemie/Biolo-
bzw. Biologie) Chemie/Biologie), IT gie)
Altersstufen
12 bis 16 Jahre ÆÆArbeit/Wirtschaft/ ÆÆWerken
Technik
ÆÆWerken/Textiles
Gestalten
ÆÆInformatik
4
Erneuerbare Energien
Übersichtspläne
Übersicht über die Energiekiste Erneuerbare Energien
Dauer Æ eine bis mehrere Schulstunden – je nach Anzahl und Schwierigkeitsstufe der Auf-
Æ
gaben
Æ geeignet für Stationenlernen
Æ
Voraussetzung Æ Gruppeneinteilung
Æ
Æ ggf. Einteilung in Stationen
Æ
Æ grundlegende Experimentiererfahrung (NuT)
Æ
Æ Möglichkeiten zum Aufbau der Experimente, Stromanschluss und z. T. Wasser-
Æ
Anschluss.
Æ Zugang der SuS zum Energie-Atlas Bayern im Internet. Alternativ können die benö-
Æ
tigten Internetseiten als PDF-Datei heruntergeladen und ausgedruckt werden.
Inhalt Æ SuS bauen elektische Schaltungen (max. 12 V) auf und messen unterschiedliche
Æ
Parameter zur Beurteilung von erneuerbaren Energien.
Æ SuS erkennen kritische Einflüsse auf erneuerbare Energien.
Æ
Ziele
Æ SuS kennen die Potenziale und Einschränkungen erneuerbarer Energien.
Æ
Hinweise Æ Der Energie-Atlas Bayern ist ein Internetportal zur Energiewende in Bayern. Er
Æ
steht wegen seines Umfangs nur online zur Verfügung. Einzelne Seiten können
jedoch als PDF-Datei herunterladen werden.
Weiterführende Æ Energie-Atlas Bayern: www.energieatlas.bayern.de
Æ
Literatur/Links
Æ Leihausstellung Energiewende: www.energieatlas.bayern.de/kommunen/werk-
Æ
zeugkasten/ausstellungen.html
Æ TFZ – Energiepflanzen hautnah erleben:
Æ
www.tfz.bayern.de/landschafftenergie/110855/index.php
Æ Umwelt im Unterricht: www.umwelt-im-unterricht.de/medien/dateien/umwelt-
Æ
freundlich-energie-erzeugen-schuelerheft-sek-archiv/
Æ ISB - Projektarbeit:
Æ
www.isb.bayern.de/realschule/uebersicht/projektarbeit-projektpraesentation/
Æ Planet Schule (nach Stichwort suchen, z. B. Wasserkraft):
Æ
www.planet-schule.de/
Æ Landesbildungsserver Baden-Württemberg:
Æ
www.schule-bw.de/faecher-und-schularten/mathematisch-naturwissen-
schaftliche-faecher/physik/unterrichtsmaterialien/e_lehre_1
5
Begleitheft Energiekiste Erneuerbare Energien
Mitgelieferte Geräte – Kurzübersicht
Grundeinheit klein Grundeinheit groß Winderzeuger
Windrotoren Windturbine mit Windturbinenmodul mit
Fingerschutz Modulplatte
Solarmodul 0,5 V / 840 mA Solarmodul 1,5 V / 280 mA Solarmodul 2,5 V / 420 mA
Abdeckung für Solarzelle Beleuchtungsmodul Powermodul ohne
Stromanschluss
6
Erneuerbare Energien
AV-Modul LED-Modul Potentiometermodul
Glühlampenmodul Kondensatormodul Hupenmodul
Motormodul Farbscheibenset Brennstoffzelle
Elektro-Modellfahrzeug Wasserradmodul mit Handgeneratormodul
mit Akku-Adapter Spritzschutz
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Begleitheft Energiekiste Erneuerbare Energien
Thema „Erneuerbare Energien“
Ganz klar: Strom kommt aus der Steckdose – und was passiert vorher?
Für euch ist es bestimmt selbstverständlich, dass erneuerbare Energien die beste Option für die Zukunft
sind. Mehr als die Hälfte der Bruttostromerzeugung in Bayern stammt bereits aus erneuerbaren Energien!
Mit den Experimenten dieser Energiekiste könnt ihr ausprobieren, wie Solarzellen, Windenergieanlagen,
Wasserräder und Brennstoffzellen wirklich funktionieren.
Was euch das bringt? Ihr könnt mitreden und selber fachsimpeln, wie wir in Zukunft Strom erzeugen
wollen. Denn: Technik macht Spaß, wenn man ein bisschen was davon versteht. Und wer weiß, vielleicht
investiert ihr ja mal in eine Bürgerenergieanlage, arbeitet in diesem Bereich oder fahrt eines Tages ein super-
effizientes Elektro-Auto?
Findest du
erneuerbare Ener
gien gut?
Ja, auf jeden Fall.
Wir haben zuhause
Ökostrom. Erneuerbare
Energien sind einfach
die Zukunft!
8Erneuerbare Energien
Basics Gleichstrom
Strom fließt, wenn Ladungsträger sich bewegen. Der Zusammenhang zwischen Spannung (U in Volt
Ladungsträger sind geladene Teilchen, z. B. Elek- V), Stromstärke (I in Ampére A) und Widerstand (R
tronen (e-), Protonen (H+) , Ionen (das sind gela- in Ohm Ω) definiert sich so:
dene Atome wie Chlorid-Ion (Cl-) bzw. geladene
Moleküle wie das Hydroxid-Ion (OH-)). U=R*I
Die Bewegung der Ladungsträger wird durch eine
Potenzialdifferenz (= Spannung in der Einheit Volt) Der Zusammenhang zur Leistung (P in Watt) lautet:
oder durch Magnetfelder induziert. Strom fließt
dann im geschlossenen Stromkreis von einem P=U*I
zum anderen der beiden Pole. Die Pole sind in der
Elektrik und Elektronik meist Anschlussstellen für Zum Beispiel erzeugt eine beleuchtete Solarzelle
Bauteile wie elektrische Verbraucher (Glühlampe, Strom, der mit einem Messgerät erfasst werden
Motor etc.), Leiterkabel, Batterien usw. Ist der kann. Daraus ergibt sich die (momentane) Leistung
Stromkreis geöffnet oder liegt ein (nahezu) unend- der Solarzelle. Steigt oder sinkt die Beleuchtungs-
lich hoher Widerstand zwischen den Polen, wie es stärke, verändert sich die Leistung bis auf Null
durch Ausschalten über einen Schalter der Fall ist, oder bis zur Maximalleistung der Zelle (Nennleis-
fließt kein Strom. tung). Wird ein Verbraucher, meist ein Gerät,
(z. B. ein Motor) angeschlossen und angeschaltet,
Die Benennung der Pole ist historisch bedingt sinkt die Spannung (Spannungsabfall).
und in den Naturwissenschaften (Physik, Chemie,
Biologie) genau andersherum wie in der Technik.
Technisch fließt Strom vom Pluspol zum Minus-
pol entlang des Potenzialgefälles. Das spielt bei
Gleichstrom v. a. dann eine Rolle, wenn Dioden
angeschlossen werden oder eine Drehrichtung,
z. B. eines Gleichstrom-Motors wichtig ist.
9Begleitheft Energiekiste Erneuerbare Energien
Thema – Elektrische Verbraucher
Etwa drei Viertel des Stroms zuhause verbrauchen Denn es gilt: jede Kilowattstunde, die wir nicht ver-
Haushaltsgeräte, Kommunikation und Unterhal- brauchen, muss gar nicht erst hergestellt werden.
tung sowie die Beleuchtung. Den eigenen Strom- Das ist der beste Klima- und Umweltschutz und
verbrauch zu kennen und zu wissen wie man z. B. nützt auch dem eigenen Geldbeutel.
den Verbrauch eines Kühlschranks messen kann,
ist Voraussetzung für sinnvolles Energiesparen.
Thema – Optische Täuschungen
Bei diesen Experimenten lernen die Schülerinnen Lichtquelle (Taschenlampe, Sonne, Fernseher etc.)
und Schüler anhand einfacher Experimente die oder sie wird von Gegenständen zurückgeworfen,
Kisteninhalte kennen. Die Aufgaben eignen sich die ihrerseits angestrahlt wurden. Die Gegenstän-
v. a. zum Einstieg. Mit den anderen Aufgaben aus de nehmen einen Teil der Energie auf und reflek-
der Kiste haben sie nur wenig zu tun. tieren einen anderen Teil (rote Rose, Hautfarbe von
Gesichtern, schillernde Palletten an einem Kleid
Farben entstehen erst im Auge des Betrachters.
etc.). Farben und Muster können aber auch durch
Vorher sind sie nur elektromagnetische Wellen
Sinnestäuschungen entstehen. Das was wir dabei
- Energie, die sich ausbreitet und ggf. mit Mate-
besonderes sehen, entsteht erst aus einer Zusam-
rie oder anderen Energieformen interagiert. Die
menwirkung von Sehsinn und Gehirn.
Energie stammt dabei entweder direkt aus einer
Thema – Sonnenenergie
Die Sonne ist das Zentralgestirn unseres Sonnen- Photovoltaik dagegen nutzt die Solarenergie zur
systems und Ursprung allen Lebens. Ihre Entfer- direkten Erzeugung von elektrischem Strom. Eine
nung zur Erde beträgt rund 150 Millionen Kilometer Photovoltaikanlage (PV-Anlage) kann das Sonnen-
– das entspricht ungefähr 300.000-mal der Strecke licht entweder in Gleichstrom (direkte Versorgung
München-Berlin. Trotz dieser riesigen Entfernung hierfür geeigneter Geräte, Speicherung in Batteri-
erreicht unvorstellbar viel Energie die Erde, denn en) oder – über einen Wechselrichter – in Wechsel-
die Sonne liefert hiervon in einer halben Stunde strom umwandeln und z. B. ins Stromnetz einspei-
mehr, als alle Menschen zusammen in einem Jahr sen.
verbrauchen. Bayern zählt zu den von der Sonne
verwöhnten Gebieten Deutschlands und verfügt Nähere Informationen gibt es im Energie-Atlas
über sehr günstige Voraussetzungen zur Nutzung Bayern:
von Solarenergie. www.energieatlas.bayern.de/thema_sonne.
Bei solarthermischen Anlagen wird die Solar- html
energie über Sonnenkollektoren aufgenommen. Die Versuche arbeiten ausschließlich mit Gleich-
Ebenso wie sich das Wasser in einem schwarzen strom.
Gartenschlauch erwärmt, wenn er in der Sonne
liegt, fängt ein solcher Kollektor solare Wärme ein.
Damit kann man z. B. das Warmwasser im Haus-
halt vorwärmen.
10Erneuerbare Energien
Thema – Windenergie
Seit Jahrhunderten nutzen wir den Wind: Früher Der Rotor, das ist die Nabe mit den daran befes-
war er für das Wirtschaftsleben wichtig und trieb tigten Rotorblättern, wird bei modernen Anlagen
Windmühlen und Handelsschiffe an. Im 20. Jahr- durch das Auftriebsprinzip in Bewegung versetzt.
hundert nutzen wir ihn vor allem in der Freizeit, Das heißt, der Wind erzeugt - ähnlich wie bei einem
z. B. zum Segeln, Surfen und Fliegen. Jetzt besin- Flugzeug - einen Auftrieb, wenn er an den Rotor-
nen wir uns wieder darauf, die Kraft des Windes blättern vorbeiströmt. Damit setzt er den Rotor in
für unsere Lebensgrundlagen einzusetzen – bei Gang. Diese Bewegungsenergie des Rotors wird,
der Stromerzeugung durch Windenergieanlagen mit oder ohne Getriebe, an den Generator übertra-
(WEA). Dank der finanziellen Förderung durch das gen, der die Bewegungsenergie in elektrische Ener-
Erneuerbare-Energien-Gesetz wird Windenergie gie umwandelt. Getriebe, Generator sowie Regel-,
seit vielen Jahren verstärkt genutzt. Steuerungs- und Überwachungstechnik sind in der
Eine Windenergieanlage erzeugt innerhalb von Maschinengondel untergebracht. Die Maschinen-
3 bis 6 Monaten so viel Energie, wie zur Produk- gondel ist drehbar auf dem Turm gelagert, sodass
tion der Anlage benötigt wird (inkl. Transport und der Rotor in den Wind gedreht werden kann und
Errichtung). die Windenergie optimal ausgenutzt wird.
Nähere Informationen gibt es im Energie-Atlas
Bayern:
www.energieatlas.bayern.de/thema_wind.html
Thema – Wasserkraft
Wasserkraftnutzung hat eine jahrtausendealte Die größten Anlagen mit mehr als 10 MW (< 2 %
Tradition. Schon in der Antike und im Mittel der Anlagen) erbringen dabei rund zwei Drittel der
alter wurde die Kraft des Wassers als Antrieb für Jahresarbeit. Sie liegen überwiegend an den alpinen
Maschinen genutzt, z. B. bei Getreidemühlen, Donauzuflüssen Iller, Lech (mit Wertach), Isar und
Säge- und Hammerwerken. Gegen Ende des Inn sowie an der Donau und am Main.
19. Jahrhunderts setzte die Stromerzeugung durch Es gibt verschiedene Anlagentypen von Wasser
Wasserkraft mittels Turbinen ein. Bis ungefähr kraftwerken:
1925 konnte der Strombedarf in Bayern fast aus-
schließlich mit Wasserkraft gedeckt werden. ÆÆLaufwasserkraftwerke
ÆÆSpeicherkraftwerke
In Bayern sind rund 4.200 Wasserkraftanlagen in ÆÆPumpspeicherkraftwerke
Betrieb. Etwa 94 % davon zählen zu den Klein-
wasserkraftanlagen. Diese erzeugen mit rund
1.000 GWh pro Jahr 9 % des Wasserkraftstroms in Nähere Informationen zur Wasserkraft gibt es im
Bayern. Den Hauptanteil des bayerischen Was- Energie-Atlas Bayern:
serkraftstroms liefern große Wasserkraftanlagen. www.energieatlas.bayern.de/thema_wasser.html
11Begleitheft Energiekiste Erneuerbare Energien
Thema – Brennstoffzelle und Elektrolyseur
Reversible Brennstoffzelle
Ein Elektrolyseur zersetzt mithilfe von Strom Wasser in seine zwei Bestandteile Wasserstoff und Sauer-
stoff. Eine Brennstoffzelle macht daraus wieder Strom.
Je nach Brennstoffzellentyp können auch andere Brennstoffe eingesetzt werden, beispielsweise Ethanol,
Methanol oder Erdgas.
Eine reversible Brennstoffzelle vereint beide Prozesse in einem Gerät.
Elektrolyseur: H2O + Energie (Strom/Wärme) H2 + O2
Brennstoffzelle: H2 + O2 H2O + Energie (Strom/Wärme)
Wasserstoff Luftsauerstoff
Abb.: Funktionsprinzip Brennstoffzelle (technische Darstellung – verändert)
/
Quelle: Wikipedia, gemeinfrei ©
Weitere Informationen gibt es beispielsweise bei Planet Wissen:
www.planet-wissen.de/technik/energie/brennstoffzelle/index.html
und unter
http://davisson.nat.uni-magdeburg.de/praktpc/brennstoffzelle.pdf
Achtung: Die in den Experimenten verwendete reversible Brennstoffzelle ist sehr empfindlich ge-
genüber falscher Handhabung. Bitte unbedingt die Anleitung zur Brennstoffzelle genau befolgen.
12Erneuerbare Energien
Alle Energiekisten sind über den Link
www.energieatlas.bayern.de/thema_energie/bildung.html ausleihbar.
Die Anleitung zu den Aufgaben finden Sie hier:
www.energieatlas.bayern.de/file/pdf/2819/Schuelerheft_EE.pdf
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