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Universität Augsburg Didaktik der Physik

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Elektrische Energieversorgung Wichtiges Grundwissen für den Lehramtsstudierenden der Haupt- und Realschule. Universität Augsburg Didaktik der Physik. Elektronenstrom und Energiestrom. Ladungen übertragen Energie von der Stromquelle zum Verbraucher :. Zufuhr von nicht

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Elektrische EnergieversorgungWichtiges Grundwissen für den Lehramtsstudierenden der Haupt- und Realschule

Universität Augsburg

Didaktik der Physik

elektronenstrom und energiestrom
Elektronenstrom und Energiestrom

Ladungen übertragen Energie von der Stromquelle zum Verbraucher:

Zufuhr von nicht

elektrischer Energie

Abgabe von nicht

elektrischer Energie

elektrische

Energie wird

übertragen

z. B.

chemische Energie

mechanische Energie

Strahlungsenergie

z. B.

thermische Energie

mechanische Energie

Strahlungsenergie

Im Gegensatz zu den Ladungsträgern fließt die el. Energie nicht im Kreislauf.

elektronenstrom und energiestrom1
Elektronenstrom und Energiestrom

„Energie steckt in der Spannungsquelle“

Spannung U = ∆E Energieunterschied

Q = I ∙ t

U = =

transportierte Energie E = U · I ∙ t = Wel

elektrische Arbeit Wel= Pel∙ t

Pel =

leitungsverlust im realen stromkreis
Leitungsverlust im realen Stromkreis

Bewegung erfordert Arbeit:

R = U / I

W = U · I · t

mit U = R ∙ I folgt:

W = R ∙ I ∙ I ∙ t

=R · I2 · t

= Arbeit zur Überwindung

des Widerstands

leitungsverlust im realen stromkreis1
Leitungsverlust im realen Stromkreis

Gesamtenergiedurchsatz im Stromkreis:

mit W = R · I2 · t ist:

E = Woben+ ∆ELampe+ Wunten

= Roben · I2 · t + PL ∙ t + Runten · I2 · t

mit P = E/t ist:

P = Roben · I2 + PL + Runten · I2

=(Ro + Ru) · I2+ PL

I = 5A

P = PV + PL

Bsp.: Elektrorasenmäher

U = 230V

PR = 1150W

RKabeltrommel ≈ 2 ∙ 0,0112 Ω/m

Leitungslänge:

Widerstand:

Verlustleistung:

50m:

R = 1,12 Ω

PV = 28 W

Uni – Impulsarena:

(ca. 2 km)

R = 45 Ω

PV = 1125 W

hochspannungs bertragung
Hochspannungsübertragung

Reduktion der Verluste durch Verringerung der Stromstärke,

d.h. die Anzahl der bewegten Teilchen nimmt ab;

dafür muss die Spannung steigen, damit die transportierte Energiemenge

(bzw. Leistung) erhalten bleibt.

UUni = 230 V

UL = 2300 V

UStadion = 230 V

PUni = 3400 W

PL = 3400 W

PStadion = 3400W

IUni = 5 A

IL = 0,5A

IStadion = 5A

PV (50m Leitung) = 28 W

PV (Uni-Stadion) = 11,25 W

PV (100m Leitung) = 56 W

vgl. ohne Transformation: R = 45Ω (Uni – Impulsarena): PV = 1125W bei PL= 1150W,

das verteilungsnetz
Das Verteilungsnetz
  • Übliche Spannungen in Deutschland sind:
  • Niederspannung: 230V / 400V
  • Mittelspannung: 10 kV / 20 kV
  • Hochspannung : 110 kV
  • Höchstspannung: 220 kV
    • 380 kV
elektrokraftwerke
Elektrokraftwerke

Wärmekraftwerk – Dampfkraftwerk:

Wärmequellen können sein:

Kohle

Müll

Öl

Kernzerfallswärme

...

elektrokraftwerke1
Elektrokraftwerke

Wärmekraftwerk – Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk:

Abgas

elektrokraftwerke2
Elektrokraftwerke

Kernkraftwerk:(Nutzung von Wärmeenergie)

Die meisten Kernkraftwerke in der BRD sind mit Druckwasserreaktoren ausgestattet:

elektrokraftwerke3
Elektrokraftwerke

Solarthermische Kraftwerke:

Es stehen verschiedene varianten solarthermischer Kraftwerke (CSP-Kraftwerke)

im Mittelpunkt der Diskussion:

Aufteilung

CSP-Kraftwerke

Weltweit 2008

1. Parabolrinnenkraftwerke

94 %

2. Solarturmanlagen

6 %

3. Dish-Stirling-Anlagen

4. andere

elektrokraftwerke4
Elektrokraftwerke

Solarthermische Kraftwerke:

1. Parabolrinnenkraftwerke

Kalifornien, Kramer Junction

Salz-

tank

Turbine

Solarfeld Wärmetauscher Wärmetauscher

elektrokraftwerke5
Elektrokraftwerke

Solarthermische Kraftwerke:

2. Solarturmanlagen

Solarturm in Kalifornien

Solarturm bei Jülich (NRW)

Video

elektrokraftwerke6
Elektrokraftwerke

Solarthermische Kraftwerke:

3. Dish-Stirling-Anlagen

Ein Parabolspiegel konzentriert

die Sonnenenergie auf einen

Absorber.

Ein Arbeitsgas im Absorber

treibt den Stirlingmotor an.

Die dadurch entstandene mechanische

Energie wird anschließend in einem

Generator in elektrische Energie

umgewandelt.

elektrokraftwerke7
Elektrokraftwerke

Solarelektrische Direktumwandlung:

Photovoltaischer Effekt

elektrokraftwerke8
Elektrokraftwerke

Wasserkraftwerke:

Laufwasserkraftwerk

(Pump-)Speicherkraftwerk

Generator

Quelle: VSE

Laufrad der Turbine

Privates Kraftwerk mit 3m Fallhöhe und 25kW Leistung

elektrokraftwerke9
Elektrokraftwerke

Wasserkraftwerke:

Gezeitenkraftwerk

Meeresströmungskraftwerk

offenes Meer Damm Staubecken

offenes Meer Damm Staubecken

bei Flut

bei Ebbe

Rohrturbine mit Generator

Niveauunterschied

elektrokraftwerke10
Elektrokraftwerke

Windkraftwerke:

Windrad

Vision der Zukunft:

Höhenwindkraftwerk

elektrokraftwerke11
Elektrokraftwerke

Geothermische Kraftwerke:

„Hot-Dry-Rock-Verfahren“

elektrokraftwerke12
Elektrokraftwerke

Biomasse-Kraftwerke:

Gülle und Biomasse werden dem

Gärbehälter zugeführt.

Im Gärbehälter werden diese Stoffe durch

anaerobe Bakterien zersetzt, dabei entsteht

als Abfallprodukt Dünger und ein

Methan-Kohlendioxid-Gemisch, das Biogas.

Durch das Verbrennen des entstandenen

Gases in einem Motor, an den ein

Generator angeschlossen ist, entsteht

Wärme und Strom.

Dieser Strom kann entweder direkt in

Haushalten oder Betrieben verwendet

werden, und/oder ins öffentliche

Stromnetz eingespeist werden.

elektrokraftwerke13
Elektrokraftwerke

Brennstoffzelle:

Video

energiewirtschaft
Energiewirtschaft

Anteil am Grundlastverbrauch:

83,7TWh

570TWh

energiereserven und ihr potential
Energiereserven und ihr Potential

Zahlen basieren auf den

Verbrauchswerten aus

dem Jahr 2005.

ad