Gfs über erneuerbare energien

Ausarbeitung GFS

Erneuerbare Energien

im Fach Physik

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Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 3
2 Windenergie 3
2.1 Funktionsprinzip 4
2.2 Vertikal bringt mehr Energie 5
3 Wasserkraft 6
3.1 Gefahren 6
3.2 Fliesswasserkraftwerke 6
3.3 Staukraftwerke 7
3.4 Pumpspeicherkraftwerke 7
3.5 Wellenkraftwerke und Strömungskraftwerke 7
3.6 Gezeitenkraftwerke 8
3.7 Kleinkraftwerke 8
3.8 Arten der Turbinen 9
3.8.1 Francis Turbine 9
3.8.2 Kaplan-Turbine 10
3.8.3 Durchström-Turbine 10
3.8.4 weitere Trubinenarten 11
4 Sonnenenergie 12
4.1 Photovoltaik 12
4.2 Funktionsart 12
4.2.1 Materialien 13
5 Verbrauch Produktion und Speicherung 13
6 Umwelteinflüsse 14
7 Fazit 15
8 Quellen: 16

1 Einleitung

Erneuerbare Energien sind Energien die sich in kurzen Perioden, also innerhalb von Tagen bis Monaten, regenerieren. Sie stellen sich kontinuierlich wieder her (Biomasse) oder sind je nach Tageszeit und Wetter in unterschiedlichen Mengen verfügbar (Wind, Sonne, Wasser).Wir haben keinen messbaren Effekt auf die Umwelt, das heißt, es ist egal, ob wir sie nutzen oder nicht. Im Gegensatz zu fossilen Energien schaden wir damit nicht der Umwelt oder verbrauchen die Ressourcen, die sich natürlich bilden oder nur per Komet kommen, wie Nuklearreaktionen bei denen wir Uran verbrauchen.

Neben den erneuerbaren Energien gibt es fossile Energien, wie Öl, Gas, Braun- und Steinkohle sowie Kernenergie (AKW). Das Problem mit fossiler Energie ist, dass die fossilen Brennstoffe über Jahrtausende gebildet haben und wir sie sehr schnell verbrauchen. Das bedeutet, dass wir irgendwann keine fossilen Brennstoffe mehr haben werden. Leider hat Kernenergie auch ein Problem, und zwar sind die Abfallprodukte noch radioaktiver als der Brennstoff und muss über Jahrtausende in einem Endlager gelagert werden. Da es kein Endlager gibt, ist dies ein großes Problem. Wegen diesen zwei Fakten ist die Energiewende notwendig, wenn wir noch für längere Zeit in einer Welt leben wollen, in der wir Strom haben und auch eine saubere Umgebung.

2 Windenergie

Bezeichnet den Bereich der Nutzung und Umwandlung der bewegenden Luft zu mechanisch rotierender Energie und dann meistens zu elektrischer Energie. Die Idee Wind als Energiequelle zu nutzen, ist nicht neu, sondern wird schon seit Jahrtausenden für Mühlen und Schiffe genutzt. Daher ist die Windkraft sehr tief in der Gesellschaft verankert und durch die geschickte Propagierung denkt die Bevölkerung, dass die Windenergie gut für die Umwelt ist. Deswegen wird viel in den Ausbau der Windkraftanlagen investiert.

2.1 Funktionsprinzip

In beiden Arten der Windräder bewegt der Wind die Blätter und die Energie wird auf die Welle übertragen. Zu diesem Zeitpunkt liegt die Energie als rotierende mechanische Energie vor. Das kann aber nur funktionieren, wenn der Wind im rechtem Winkel auf das Rad trifft. Damit sich das Rad drehen kann, ist der Kopf des Windrades auf einem 360grad Lager gelagert. Das reicht noch nicht aus, deswegen hat der Kopf noch eine Form die dazu designt ist, dass der Wind ihn in die richtige Richtung dreht.

1. Bauweise: die rotierend mechanische Energie wird in ein Getriebe geleitet, das aus der langsamen Drehgeschwindigkeit mit viel Energie eine schnelle Drehgeschwindigkeit mit wenig Energie übersetzt. Deswegen kann man einen kleineren Durchmesser im Generator nutzen und es entsteht weniger Abwärme. Das Getriebe ist leider sehr wartungsanfällig. Wegen der Wartungsanfälligkeit nehmen viele Unternehmen Variante 2.
2. Bauweise: die rotierend mechanische Energie wird direkt auf den Generator geleitet. Bei diesem Prozess bildet sich viel Wärme. Da in einem Generator Magnete zur Stromgeneration gebraucht werden, ist das suboptimal, weil Magnete sich bei Überhitzung selbstzerstören. Die Lösung zu dem Problem sind Elektromagnete, aber die sind kostspielig. Es gibt auch eine andere Lösung zu dem Problem, Neodym Magnete halten die Temperatur aus, aber bei der Herstellung werden unzählige Chemikalien ungefiltert in die Umwelt gepumpt, vor allem hoch radioaktives Uran und Thorium. Das vergiftet unzählige Landstriche, 80% davon sind in China.

Im Bereich der vertikalen Windräder gab es in den letzten Jahren viel Forschung und es hat sich die Faustregel gebildet, dass um so größer ein Windrad ist, um so höher ist der Wirkungsgrad.

2.2 Vertikal bringt mehr Energie

In Mexiko und den USA wurden mehrere Forschungszentren aufgebaut und unter anderem wird auch in dem Bereich der vertikalen Windräder geforscht. Leider sind die Forschungen von Firmen und dem Militär gesponsert, deswegen sind die Forschungsergebnissen nicht öffentlich zugänglich. Es gibt auch unabhängige Personen, die in dem Bereich forschen und diese Personen haben schon mehrere Prototypen gebaut, die nahe an den Wirkungsgrad der Horizontalen Windräder ran kommen. Diese Windräder sind fast ausschließlich für den Privatgebrauch designt. Die Auswirkungen der Kräfte die die Windräder nicht verarbeiten, sind Geräusche und Erschütterungen.
Die Auswirkungen der Erschütterungen ist noch nicht gemessen worden, aber es wird angenommen, dass dadurch Betonstrukturen destabilisiert werden und einstürzen können.

3 Wasserkraft

Der Bereich der Wasserkraft bezeichnet alle Energieumwandlung, die mit Wasser zusammenhängt. Damit sind zum Beispiel alte Wassermühlen gemeint, die die Bewegungsenergie des Wassers zum Mahlen der Körner nutzen. Es wurde auch die Wasserkraft zum Bewegen eines schweren Schmiedehammers genutzt. Da diese Formen der Energieumwandlung seit Jahrtausenden genutzt werden, ist die Wasserkraft als gut angesehen. Es gibt auch nicht das Problem, wie bei Windrädern mit der Wärme, weil es immer gekühlt wird, werden die Magneten nicht belastet und die Wasserkraftwerke halten länger, als Windkraftwerke und brauchen auch weniger Wartung bis keine. Die Wasserkraftwerke halten auch länger und produzieren den ganzen Tag Strom. Durch Regeln des Durchflusses kann man die Leistung regeln. Dies ist ein großer Vorteil gegenüber den meisten anderen Energien, weil die meist Tages/Jahres bedingte Erträge ergeben.

3.1 Gefahren

Bei einem Dammbruch können Millionen Menschen sterben. Hier in Deutschland haben wir zwar große Staudämme, aber es ist bei weitem nicht so schlimm, wie wenn in China der Dreischluchten-Staudamm reißen würde. Natürlich gibt es auch das Problem, dass bei Stauwerken viel Land überschwemmt wird und auch nach Abriss des Dammes unbrauchbar ist. Da meist Menschen im Überflutungsgebiet leben, müssen meist diese Menschen umgesiedelt werden. Es gibt auch die versteckte Gefahr, dass durch den Stausee und der damit folgenden Vergrößerung, der Oberfläche des Flusses, sehr viel Wasser verdampft und dies flussabwärts nicht mehr zur Verfügung steht.

3.2 Fliesswasserkraftwerke
Hochrhein
3.3 Staukraftwerke
Schluchsee / Versasca
3.4 Pumpspeicherkraftwerke

Pumpspeicherkraftwerke pumpen in Zeiten mit geringerem Energieverbrauch Wasser in einen höher gelegenen Tank und wenn ein Energiebedarf vorhanden ist, wird das Wasser aus dem Tank wieder zu Strom umgewandelt. Das ist dafür da, dass die Nachteile anderer Energieformen ausgeglichen werden.

3.5 Wellenkraftwerke und Strömungskraftwerke

Eine Art Windkraftwerk nur Unterwasser. Die Umspülung von Wasser ist Fluch und Segen zugleich, weil man alles wasserdicht machen muss, aber auch weil alles gekühlt wird. Die Kühlfunktion ist groß genug, um normale Magnete im Rotor nutzen zu können. Diese Art von Kraftwerken ist nicht sichtbar, vor Witterung geschützt und hat eine angesetzte Laufzeit von mehreren hundert Jahren. Wasser ist mehr als achthundertmal dichter als Luft und deswegen auch theoretisch achthundertmal so effektiv wie Windturbinen bei gleicher Wind/Wasser Geschwindigkeit. Dies sollte man bedenken, denn es gibt mehrere Meeresströmungen die das ganze Jahr lang fließen und Energie geben können.

3.6 Gezeitenkraftwerke

Ein Gezeitenkraftwerk ist grundsätzlich ein Strömungskraftwerk das die Energie der Gezeitenströme nutzt. Dieser Vorgang kann verstärkt werden, indem man die Turbine in eine Mauer einfasst.

3.7 Kleinkraftwerke

Kleinkraftwerke sind Wasserkraftwerke, die in kleineren Flüssen verbaut sind oder es nutzt nur einen kleinen Anteil des Wassers. Der Vorteil von Kleinkraftwerken ist, dass sie auch an kleinen Flüssen eingebaut werden können und, dass keine große Stauhöhe gebraucht wird. Viele deutsche Forscher wollen mit standardisierten und vorgefertigten Teilen die Kosten senken. Dieses Design erlaubt, dass der Generator direkt auf die Turbine gesetzt wird. Es soll such ein horizontaler Rechen (filtert alle Verunreinigungen raus, die sonst in die Turbine kommen würden) verwendet werden, der leicht von sich selbst gereinigt werden kann. Das kompakte Design hat auch einen minimalen optischen Impakt. Ein anderer Vorteil der Kleinwasserkraftwerke ist, dass sie den Wasserstand regeln können und damit zum Überflutungsschutz beitragen können.

3.8 Arten der Turbinen

Es gibt verschiedene Arten von Turbinen. Hier sehen sie die drei meist verbreitesten Arten aufgelistet, mit den wichtigsten Eigenschaften.
3.8.1 Francis Turbine
Die Francis Turbine hat einen vertikalen, spiralen Einlass und einen Wirkungsgrad von bis zu 90%. Aber wenn der Durchlauf von den Angaben auch nur leicht abweicht, sinkt der Wirkungsgrad dramatisch.

3.8.2 Kaplan-Turbine

Kaplan-Turbine kann auch bei niedrigen Fallhöhen einen hohen Wirkungsgrad erbringen und kann auch unterschiedliche Leistungen erbringen, ohne dass der Leistungsgrad stark sinkt.

3.8.3 Durchström-Turbine

Die Durchström-Turbine ist eine walzenförmige Turbine mit seitlichem Einlass. Diese Turbine ist nicht so verbreitet wie 1. und 2. und teurer zu bauen. Die Durchströmturbine hat auch den Vorteil, dass sich die Turbine reinigt und zuverlässig läuft und hat auch die Vorteile von 2.

3.8.4 weitere Trubinenarten

Es gibt auch die Lammelen-Turbine, Pelton-Turbine und Schnecken-Turbine die auch Archimedes-Schraube genannt wird. In der folgenden Darstellung sieht man, dass der Wirkungsgrad von verschiedenen Turbinen sich nicht sehr unterscheidet.

4 Sonnenenergie
Unter Sonnenenergie versteht man die Umwandlung von Sonnenstrahlen in elektrische Energie und Wärmeenergie. Die Sonne lässt das Wasser der Meere verdampfen und ist deswegen für Regen zuständig. Die Windenergie wird auch durch die Sonne hervorgerufen, in dem sie die Erde an unterschiedlichen stellen verschieden aufwärmt und dann die kalte Luft in den warmen Bereich geht.

4.1 Photovoltaik

Solarzellen sind Bauteile, die die Sonnenenergie direkt in elektrische Energie umwandeln. Dies ist genau genommen keine erneuerbare Energie, weil wir in der Sonne eine Kernreaktion haben und die Solarzellen Sonnenenergie nutzen. Solarenergie wird als erneuerbare Energie bezeichnet, weil wenn die Sonne keine Energie mehr gibt, hat sie schon alles Leben auf der Erde zerstört. Viele erneuerbare Energien haben das Problem, dass sie nicht genug Energie bringen, aber siebzehn Sekunden Sonnenstrahlung bringen genug Energie, dass die gesamte Menschheit Strom für einen Tag hat.

4.2 Funktionsart

Die meisten heutigen Solarzellen basieren auf Silizium Kristallen, die mit zwei unterschiedlichen Elementen verunreinigt (dotiert) wurden. In der oberen Schicht (N-Schicht) wird das Silizium mit Phosphor verunreinigt. Diese Schicht hat freie Elektronen. Die freien Elektronen haben wir, weil Phosphor fünf Elektronen, und Silizium nur 4 Elektronen hat. Die freien überzähligen Elektronen vom Phosphor sind so instabil gebunden, dass sie bei Sonneneinstrahlung ihren Platz ändern können.

Die untere Schicht (P-Schicht) ist aus Silizium und Bor. Diese Schicht hat die Eigenschaft, dass sie Elektronen aufnehmen will, da Bor mit 3 Elektronen einen Elektronenmangel auslöst. Wenn ein Sonnenstrahl auf die obere Schicht trifft, löst sich ein Elektron und wandert in die untere Schicht. In der oberen Schicht haben wir eine positive Ladung und in der unteren Schicht eine negative Ladung. Diese Ladungen kann man an einen Stromkreislauf anschließen und kann als Stromquelle genutzt werden. Hier sehen sie den Querschnitt einer Solarzelle.

4.2.1 Materialien

Silizium gibt es wie Sand am Meer, weil es Sand ist. Silizium ist auch das am meisten vorkommende Element auf der Erde. Phosphor und Bor sind auch keine seltenen Erze und mit der Gewinnung schaden wir nicht der Umwelt.

5 Verbrauch Produktion und Speicherung
Da der Energieverbrauch nicht immer gleich viel Energie braucht, wie wir zu der Zeit gewinnen, muss Energie entweder gespeichert werden oder die Leistung der Kraftwerke geregelt werden. Es gibt noch ein zusätzliches Problem, wir können bei erneuerbaren Energien nicht vorhersagen, wann die nächste Dunkelflaute ist. Eine Dunkelflaute ist ein Zeitraum, in dem wir keine Energie erzeugen können, wie zum Beispiel ein Bewölkter Tag ohne viel Wind.
Es gibt verschiedene Varianten Energie zu speichern, wie das vorhin schon erklärte Pumpspeicherkraftwerk. Es kann auch Elektrolyse genutzt werden, um aus Wasser Wasserstoff und Sauerstoff zu produzieren. Den Wasserstoff kann man dann wieder mit einer Brennzelle zu Strom machen oder bei Überschüssen in das Gasnetz einspeisen. Zurzeit werden Silizium Akkus genutzt, aber die Abfälle davon sind giftig. Es gibt natürlich auch viele andere Speichermethoden. In der folgenden Grafik sind die Speicherfähigkeiten verschiedener Energieformen verglichen. Die Vertikale zeigt, bei wie viel Energie die Technologie nutzbar ist und die Horizontale wie viel Promille der Leistung verloren geht (in Wärme umgewandelt wird).

6 Umwelteinflüsse

7 Fazit
Es gibt viele Quellen, um Wissen über erneuerbare Energien bekommen und viel mehr zu wissen, als dass ich in diese Ausarbeitung schreiben könnte. Denn ich wollte noch Nanostrukturen erklären. Es gibt auch viel interessante Forschung. Leider zu viel, deswegen habe ich meine Ausarbeitung auf den Stand der Technik belassen. Ich habe bei der Zusammenfassung auch mehr gelernt, als drin steht weil die ganze Forschung zu viel gewesen wäre und ich nicht alles an Diagrammen erklären wollte. Ich habe mir auch einen Interessanten Vortrag über erneuerbare Energien in Basel angehört. Der Vortag wurde von Saturday morning Physik beherbergt. Eine Kopie der Bestätigung ist beigelegt.
8 Quellen:
Was sind erneuerbare Energien:
Erneuerbare Energien:https://www.unendlich-viel-energie.de/themen/faq/faq-erneuerbare-energien-allgemein/faq-erneuerbare-energien-allgemein2
http://www.wie-energiesparen.info/fakten-wissen/was-sind-regenerative-erneuerbare-energien/
https://www.umweltbundesamt.de/themen/klima-energie/erneuerbare-energien/energie-aus-wasserkraft

Nuclearenergie:

https://de.wikipedia.org/wiki/Yellowcake 12.2.2018
Braunkohle:https://www.welt.de/themen/braunkohle/
http://ras.habt8.de/deutschland/braunkohletagebau/index.html
http://www.zeit.de/2015/30/braunkohle-tagebau-deutschland-verwuestung

Öl:http://www.seilnacht.com/Lexikon/erdoel.html
https://www.planet-wissen.de/technik/energie/erdoel/pwiewieisterdoelentstanden100.html

Windenergie/größer ist besser:http://www.hems-renewables.de/renewable-energies/windenergie.html
Während dem untericht anschauen

http://www.gwec.net/wp-content/uploads/vip/GWEC_PRstats2016_EN_WEB.pdf
https://de.wikipedia.org/wiki/Windenergie 12.2.2018
http://caspary.de/anfrage/gewinnung-der-seltenen-erde-neodym-in-china-und-daraus-resultierende-umweltschaden/
Vertikal bringt mehr Energie:

https://www.klein-windkraftanlagen.com/allgemein/boom-vertikaler-windrader-werden-erwartungen-erfullt/
https://www.klein-windkraftanlagen.com/technik/vertikale-windkraftanlagen/

Wasserkraft:

http://www.schattenblick.de/infopool/umwelt/internat/uias0002.html
http://www.blue-synergy.de/index.php?article_id=28&clang=0
http://www.ren21.net/wp-content/uploads/2017/06/17-8399_GSR_2017_Full_Report_0621_Opt.pdf
https://www.umweltbundesamt.de/themen/klima-energie/erneuerbare-energien/energie-aus-wasserkraft
http://worldoceanreview.com/wor-1/klimasystem/grose-meeresstroemungen/

Pumpspeicherkraftwerk:http://www2.ingolstadt.de/index.phtml?La=1&ffsn=false&object=tx,465.3922.1&kat=&kuo=2&sub=0

Gezeitenkraftwerk:https://plus.google.com/100553354481425129614/posts/dnXfk8w8sF6
Kleinkraftwerk:

http://www.bosy-online.de/Mini-Wasserkraftwerke.htm
http://www.brennstoffzellen-heiztechnik.de/wasserkraft-hauptmenue/kleinwasserkraftwerke.html
http://www.elektro-peer.at/seiten/wasser3.html
Arten der Turbinen:https://www.landeskraftwerke.bayern/turbinenarten.htm
http://www.brennstoffzellen-heiztechnik.de/wasserkraft-hauptmenue/turbinentypen-infos-daten.html
http://www.kleinwasserkraft.at/turbinentypen
https://www.nachhaltigleben.ch/energie/wasserkraft/wasserturbine-503/2
http://www.energie.ch/wasserturbinen

Solarzellen:

http://www.renewable-energy-concepts.com/?id=658
http://www.eineweltladen.info/sam/energy.html

Verbrauch Herstellung und speicherung: https://www.bundestag.de/blob/412904/ca2dd030254284687a1763059f1f4c0c/wd-8-032-14-pdf-data.pdf
http://www.chemie.de/lexikon/Lithium-Ionen-Akkumulator.html
https://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0810281.htm
http://www.chemie.de/lexikon/Elektrolyse.html
https://www.bundesnetzagentur.de/DE/Sachgebiete/ElektrizitaetundGas/Unternehmen_Institutionen/Versorgungssicherheit/Engpassmanagement/Regelenergie/regelenergie-node.html

Bild Quellen:
1)http://www.dreiborn.eu/windpark.html
2)http://www.bosy-online.de/Mini-Wasserkraftwerke.htm
3)https://www.landeskraftwerke.bayern/turbinenarten.htm
4)http://www.energie.ch/wasserturbinen
5)http://www.eineweltladen.info/sam/energy.html
6)https://www.bundestag.de/blob/412904/ca2dd030254284687a1763059f1f4c0c/wd-8-032-14-pdf-data.pdf