Physik Realschule Bayern › Energie › Jahrgangsstufe 10
Kraftwerke, Energieträger und Energieflussdiagramme
Physik · Realschule · Jahrgangsstufe 10 · Bayern · Teilbereich Energie
Im Lernbereich Energieversorgung der 10. Jahrgangsstufe unterscheiden Lernende fossile und regenerative Energieträger, beschreiben Kraftwerkstechniken und stellen Energieumwandlungen als Kette und als Energieflussdiagramm dar. Sie berechnen Wirkungsgrade und Heizwerte. Diese Inhalte verbinden Energie, Wärmelehre und Elektrizitätslehre.
Energieträger: woher die Energie kommt
Unsere elektrische Energie wird in Kraftwerken aus anderen Energieformen gewonnen. Die Rohstoffe und Quellen dafür heißen Energieträger. Man unterscheidet zwei große Gruppen:
| fossile Energieträger | regenerative (erneuerbare) Energieträger |
| Kohle, Erdöl, Erdgas, Heizöl, Benzin | Wasser, Wind, Sonnenstrahlung |
| entstanden über Millionen Jahre, endlich | Biomasse, Geothermie (Erdwärme) |
| setzen beim Verbrennen CO₂ frei | praktisch unerschöpflich, klimafreundlicher |
Fossile Energieträger sind nur begrenzt vorhanden und belasten beim Verbrennen das Klima. Regenerative Energieträger erneuern sich ständig und stehen praktisch unbegrenzt zur Verfügung.
Kraftwerkstechniken
Je nach Energieträger gibt es verschiedene Kraftwerkstypen. In den meisten treibt am Ende eine Turbine einen Generator an, der durch Induktion elektrische Energie liefert.
| Kraftwerkstyp | Energieträger |
| Wärmekraftwerk (Kohle, Gas, Kern, Geothermie) | Brennstoff oder Erdwärme erhitzt Wasser zu Dampf |
| Wasserkraftwerk (Lauf-, Pumpspeicher) | strömendes oder fallendes Wasser |
| Windkraftwerk | Wind treibt die Rotorblätter |
| Biomassekraftwerk | Holz, Biogas, Pflanzenreste |
| Solarkraftwerk (Photovoltaik) | Sonnenlicht, direkt in Strom (ohne Generator) |
Energieumwandlungskette und Energieflussdiagramm
Wie die Energie in einem Kraftwerk Schritt für Schritt umgewandelt wird, zeigt die Energieumwandlungskette. Am Beispiel eines Speicher-Wasserkraftwerks:
Wie viel Energie dabei genutzt wird und wie viel als Wärme verloren geht, zeigt das Energieflussdiagramm. Die Breite der Pfeile entspricht der Energiemenge. Der Wirkungsgrad ist der genutzte Anteil.
Beispiel 1: Wirkungsgrad eines Kohlekraftwerks
Ein Kohlekraftwerk führt durch Verbrennung eine Leistung von \(1000\,\mathrm{MW}\) zu und gibt elektrisch \(400\,\mathrm{MW}\) ab. Wie groß ist der Wirkungsgrad, und wo bleibt der Rest?
Gegeben: \(P_{\mathrm{zu}}=1000\,\mathrm{MW}\), \(P_{\mathrm{ab}}=400\,\mathrm{MW}\)
Gesucht: Wirkungsgrad \(\eta\)
Formel: \(\eta=\frac{P_{\mathrm{ab}}}{P_{\mathrm{zu}}}\)
\( \eta=\dfrac{400\,\mathrm{MW}}{1000\,\mathrm{MW}}=0{,}4=40\,\% \)
Antwort: Der Wirkungsgrad beträgt \(40\,\%\). Die restlichen \(600\,\mathrm{MW}\) gehen überwiegend als Abwärme über Kühltürme verloren. Wärmekraftwerke haben deshalb nur mäßige Wirkungsgrade; Wasserkraftwerke erreichen über \(80\,\%\).
Verbrennungswärme und Heizwert
Beim Verbrennen eines Brennstoffs wird Wärme frei. Wie viel Energie pro Kilogramm ein Brennstoff liefert, gibt der Heizwert \(H\) an: die Verbrennungswärme \(W_{\mathrm{th}}\) geteilt durch die Masse \(m\):
\( H=\dfrac{W_{\mathrm{th}}}{m} \)
Die Einheit ist \(\mathrm{\frac{MJ}{kg}}\). Je größer der Heizwert, desto mehr Energie steckt in einem Kilogramm. Benzin hat etwa \(43\,\mathrm{\frac{MJ}{kg}}\), Holz nur rund \(15\,\mathrm{\frac{MJ}{kg}}\).
Beispiel 2: Energie aus Heizöl
Wie viel Verbrennungswärme liefern \(5\,\mathrm{kg}\) Heizöl mit dem Heizwert \(H=42\,\mathrm{\frac{MJ}{kg}}\)?
Gegeben: \(m=5\,\mathrm{kg}\), \(H=42\,\mathrm{\frac{MJ}{kg}}\)
Gesucht: Verbrennungswärme \(W_{\mathrm{th}}\)
Formel: \(W_{\mathrm{th}}=H\cdot m\)
\( W_{\mathrm{th}}=42\,\mathrm{\tfrac{MJ}{kg}}\cdot 5\,\mathrm{kg}=210\,\mathrm{MJ} \)
Antwort: Die \(5\,\mathrm{kg}\) Heizöl liefern \(210\,\mathrm{MJ}\). Mit dem Heizwert lässt sich vergleichen, wie viel von welchem Brennstoff man für eine bestimmte Energiemenge braucht.
Typische Fehler und Prüfungstipps
- Fossil und regenerativ vertauscht: Kohle, Öl, Gas sind fossil (endlich); Wasser, Wind, Sonne, Biomasse, Geothermie sind regenerativ.
- Wirkungsgrad-Bruch umgedreht: \(\eta=\frac{P_{\mathrm{ab}}}{P_{\mathrm{zu}}}\), also genutzt durch zugeführt; der Wert ist immer kleiner als \(1\).
- Abwärme vergessen: Bei Wärmekraftwerken geht ein großer Teil als Abwärme verloren, das gehört ins Energieflussdiagramm.
- Heizwert mit Wirkungsgrad verwechselt: Der Heizwert ist Energie pro Masse (in \(\mathrm{\frac{MJ}{kg}}\)), kein Prozentwert.
- Solarzelle braucht Generator: Nein, die Photovoltaik wandelt Licht direkt in elektrische Energie um, ohne Turbine und Generator.
Üben: Aufgaben zu Kraftwerken und Energieträgern
Der Aufgabengenerator erstellt Aufgaben zu Energieträgern, Kraftwerkstypen, Wirkungsgrad, Energieflussdiagrammen und Heizwert, mit Lösungsweg und als PDF druckbar.
Vorheriges Thema (Atom- und Kernphysik): Strahlenwirkung, Dosis und Strahlenschutz
Nächstes Thema: Gekoppelte Systeme und Nachhaltigkeit
Grundlage Jahrgangsstufe 8: Wirkungsgrad
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