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Schule > Physik > Thermodynamik > Kraftwerke und Energiegewinnung > Handout zu Wasser- und Windenergie

Handout zum Thema Wind- und Wasserkraftwerke

I. Windenergie
1. Windenergie
Umwandlung von kinetischer in elektrische Energie
erneuerbare Energiequelle

2. Windkraftwerke
Bewegungsenergie des Windes treibt Rotor an
Getriebe wandelt langsame Bewegung in schnellere um > Antrieb des Generators
Generator wandelt Bewegungsenergie in Elektrizität um
Meistens Horizontalachsen-Konverter verwendet (zwei bis drei Rotorblätter)
Offshore-Anlagen (im Meer, umweltschonender, regelmäßiger in Betrieb)
Onshore-Anlagen (auf dem Land, Leistung abhängig von Wetterverhältnissen)
Standorte: Küstenregionen, freiliegende Höhenanlagen, nahe eines Umspannwerks)
Vorteile: Keine fossilen Brennstoffe, Einsatz in allen Klimazonen, Kosten schnell gedeckt
Nachteile: Umweltbelästigung, nur in Verbund mit anderen Energiequellen

3. Geschichte
Seit Jahrhunderten Windmühlen
Älteste Form der Energiegewinnung, Technik ausgereift (> Arbeit z.B. an Kostenreduktion)
Deutschland gehört zu den größten Nutzern (19.000WKW, 20.000MW/Jahr)

4. Leistung und Relevanz
Verfügbare Energie des Windes steigt um die 3. Potenz mit der Windgeschwindigkeit
Wirkungsgrad hängt vom Verhältnis der Windgeschwindigkeiten am

II. Wasserenergie

1. Wasserenergie
Umwandlung von potentieller oder kinetischer Energie in mechanische Arbeit
Mittels Turbinen Umwandlung in elektrischen Strom
erneuerbare Energiequelle

2. Wasserkraftwerke
Gewässer wird Wasser entnommen und gefiltert über Rohre zur Turbine geführt und umgewandelt

Laufwasser-Kraftwerk
Speicherkraftwerk
Pumpspeicher-Kraftwerk
Gezeitenkraftwerk
Gletscherkraftwerk

Einsatzort
Flüsse/Kanäle
Stausee
Individuell
Meer
Stausee mit Schmelzwasser

Verwendete Turbinen
Kaplan-Turbine
Francis-Trubine
Francis-Turbine
Kaplan-Turbine
Pelton-Turbine

Erfinder der Turbine
Viktor Kaplan
James Francis
James Francis
Viktor Kaplan
Lester Pelton

Vorteil
Wenig Bauaufwand
Hochwasser-Rückhaltung
Reservewerk
Nutzt doppelte Kraft
Riesige Eismassen

der Kapazität in Deutschland bereits ausgeschöpft
Vorteile: Keine Abgabe von CO2 oder Wärme, sehr hoher Wirkungsgrad, lange verwendbar
Nachteile: großer Platzbedarf, hohe Baukosten, unregelmäßige Energieerzeugung

3. Geschichte
Wasserräder seit über 3000 Jahren (Bewässerung der Felder, Mühlen, Sägewerke)
2011 weltweit am meisten genutzte Energiequelle
15% der weltweiten Stromversorgung
Über 7500 Wasserwerke in Deutschland, Zahl steigt weiter an, Potential ausgenutzt

III. Fazit
wichtiger Beitrag zur Stromversorgung
Ausbaupotential gering > nur kleine Steigerungen zu erwarten
Starke Wetterabhängigkeit > keine allein nutzbaren Energiequellen
Übungsaufgaben zur Wind- und Wasserkraft


Aufgaben zur Windenergie
1) Berechne aus den angegebenen Daten
a) die Leistung des Windes
b) die Leistung des Windkraftwerks
Angaben:
Dichte der Luft : 1,22kg/m3
Windgeschwindigkeit v: 6m/s
Durchmesser des Rotors D: 50m
Wirkungsgrad der Anlage: 45%
Formel zur Berechnung der Leistung des Windes: E= 1/2>;m>;v2


2) Welcher der folgenden Standorte ist am besten für die Aufstellung eines Windkraftwerks geeignet? Entscheide dich für ein Diagramm und erkläre kurz, warum.
http://www.leifiphysik.de/themenbereiche/regenerative-energieversorgung/aufgaben#lightbox=/themenbereiche/regenerative-energieversorgung/lb/musteraufgaben-kraftwerke-windenergie

Aufgabe zur Wasserenergie
3) Berechne aus den angegebenen Daten
a) die mechanische Leistung des Wasserkraftwerks Pmech
b) den Wirkungsgrad
Angaben:
Dichte des Wassers : 1000kg3/m
Erdbeschleunigung g: 9,81m2/s
Fallhöhe h: 200m
Durchfluss Q: 84m3/s
Elektrische Maximalleistung: 124 MW
Formel zur Berechnung der mechanischen Leistung: Pmech= >;Q>;g>;h

Formel zur Berechnung des Wirkungsgrades: = Pelektr/Pmech

Achte auf die richtigen Einheiten!

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