Physik Realschule Bayern › Energie › Jahrgangsstufe 10
Gekoppelte Systeme und Nachhaltigkeit
Physik · Realschule · Jahrgangsstufe 10 · Bayern · Teilbereich Energie
Im Lernbereich Energieversorgung der 10. Jahrgangsstufe bewerten Lernende gekoppelte Systeme wie die Kraft-Wärme-Kopplung, die Strom und Wärme zugleich nutzen, und diskutieren eine nachhaltige Energieversorgung. Der höhere Gesamtwirkungsgrad und der Energiemix sind zentrale Aspekte der Energiewende.
Zwei Nutzen aus einem Brennstoff
Ein gewöhnliches Kraftwerk gibt den größten Teil der Energie als Abwärme ungenutzt an die Umgebung ab (Kühltürme). Bei einem gekoppelten System nutzt man diese Wärme zusätzlich, zum Beispiel zum Heizen. Dann gewinnt man aus einem Brennstoff gleichzeitig Strom und Wärme. Das heißt Kraft-Wärme-Kopplung (KWK).
Weil die sonst verlorene Abwärme mitgenutzt wird, ist der Gesamtwirkungsgrad eines gekoppelten Systems viel höher als der eines reinen Stromkraftwerks, oft über \(80\,\%\) statt rund \(40\,\%\).
Beispiel 1: Gesamtwirkungsgrad eines Blockheizkraftwerks
Ein Blockheizkraftwerk (BHKW) führt \(100\,\mathrm{kW}\) zu und liefert \(35\,\mathrm{kW}\) elektrische Leistung und \(50\,\mathrm{kW}\) Wärmeleistung. Wie groß ist der Gesamtwirkungsgrad?
Gegeben: \(P_{\mathrm{zu}}=100\,\mathrm{kW}\), \(P_{\mathrm{el}}=35\,\mathrm{kW}\), \(P_{\mathrm{W}}=50\,\mathrm{kW}\)
Gesucht: Gesamtwirkungsgrad \(\eta\)
Formel: \(\eta=\frac{P_{\mathrm{el}}+P_{\mathrm{W}}}{P_{\mathrm{zu}}}\)
\( \eta=\dfrac{35\,\mathrm{kW}+50\,\mathrm{kW}}{100\,\mathrm{kW}}=\dfrac{85\,\mathrm{kW}}{100\,\mathrm{kW}}=0{,}85=85\,\% \)
Antwort: Der Gesamtwirkungsgrad beträgt \(85\,\%\). Weil Strom und Wärme zusammen genutzt werden, geht nur ein kleiner Teil verloren, bei getrennter Erzeugung wäre der Gesamtverlust viel größer.
Nachhaltige Energieversorgung
Eine nachhaltige Energieversorgung soll genug Energie liefern, ohne die Lebensgrundlagen künftiger Generationen zu zerstören. Dazu gehören:
- erneuerbare Energieträger statt endlicher fossiler (weniger CO₂, kein Verbrauch von Vorräten),
- hohe Wirkungsgrade, etwa durch Kraft-Wärme-Kopplung, damit weniger Energie verloren geht,
- Energiesparen bei Geräten, Gebäuden und im Verkehr,
- ein Mix verschiedener Quellen und Speicher, um Schwankungen von Wind und Sonne auszugleichen.
Beispiel 2: Warum ein Energiemix nötig ist
Wind- und Sonnenenergie sind sauber und unerschöpflich. Warum reicht es trotzdem nicht, nur auf sie zu setzen?
Antwort: Wind weht nicht immer, und die Sonne scheint nur tagsüber; ihre Leistung schwankt stark. Der Strombedarf ist dagegen gleichmäßiger. Deshalb braucht man einen Mix aus verschiedenen Quellen, Speicher (z. B. Pumpspeicher, Akkus) und steuerbare Kraftwerke, um jederzeit genug Strom bereitzustellen. Das Zusammenspiel ist die zentrale Herausforderung der Energiewende.
Typische Fehler und Prüfungstipps
- Nur die elektrische Leistung gezählt: Beim gekoppelten System gehören Strom und genutzte Wärme in den Wirkungsgrad.
- Gekoppelt = erneuerbar: Nicht dasselbe. Kraft-Wärme-Kopplung erhöht den Wirkungsgrad, kann aber auch mit Gas betrieben werden.
- Erneuerbar = immer verfügbar: Wind und Sonne schwanken; deshalb braucht man Speicher und einen Energiemix.
- Abwärme ist nutzlos: Bei der Kraft-Wärme-Kopplung wird gerade sie zum Heizen genutzt.
- Nachhaltigkeit nur Energieträger: Dazu gehören auch hohe Wirkungsgrade und Energiesparen.
Üben: Aufgaben zu gekoppelten Systemen
Der Aufgabengenerator erstellt Aufgaben zum Gesamtwirkungsgrad gekoppelter Systeme und zur nachhaltigen Energieversorgung, mit Lösungsweg und als PDF druckbar.
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