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Unterricht: Strom aus Strömung

  • Großgeneratoren Im Kraftwerk produzieren mehrere Großgeneratoren elektrische Energie
  • (Quelle SWR) einfaches Wasserrad
  • (Quelle SWR) Kaplanturbine
  • Windräder (Quelle:SWR) Windräder nutzen die Luftströmung als Energiequelle

Einsatz im Unterricht

Zwischen Politik und Atomindustrie wurde vor einiger Zeit ein Konsens geschlossen, aus der Atomenergie auszusteigen. In den neuesten Nachrichten wurde jüngst von der Schließung eines Atomkraftwerks (aktuell: Obrigheim / Baden-Württemberg) berichtet. Warum schalten wir unsere Atomkraftwerke ab und suchen nach neuen Formen der Energiegewinnung? – Diese Frage sollte im modernen Physikunterricht unbedingt diskutiert werden.

Der Film kann hier als Einstieg in die Thematik der modernen, umweltschonenden Energiegewinnungsverfahren genutzt werden. Er zeigt Möglichkeiten (Speicherkraftwerk, Flusskraftwerk, Windrad, Meeresströmungskraftwerk) auf, wie unsere Energie aus der Kraft Natur gewonnen werden kann und wie Energie umgewandelt wird (aus potentieller Energie entsteht kinetische Energie, aus kinetischer Energie entsteht Rotationsenergie usw.) Die unterschiedlichen Lösungsansätze zur Erzeugung elektrischer Energie können durch ein den Unterricht begleitendes Stationenlernen erarbeitet werden. Im Folgenden werden fünf Stationen vorgeschlagen, die in beliebiger Reihenfolge behandelt werden können. Wichtige Materialien, die den Schülern hierzu zur Verfügung gestellt werden können, sind der angeführte Film, verschiedene Physikbücher und ein Internetanschluss.

Vor Beginn des Stationenlernens Arbeitsblätter "Strom aus Strömung" I-V) sollten allerdings die physikalischen Grundlagen wie zum Beispiel die unterschiedlichen Energieformen (potentielle Energie, kinetische Energie, Rotationsenergie), der Wirkungsgrad und die physikalische Leistung (mit Beispielen und Größenordnungen) mit den SchülerInnen wiederholt beziehungsweise eingeführt und erläutert werden. Der vorgestellte Film eignet sich als Vertiefung in die Thematik, weniger zum selbstständigen Erarbeiten von diesen Sachverhalten. Neben den physikalischen Grundlagen sollten auch Energieumwandlungsketten zuvor an verschiedenen Beispielen mit den Schülern besprochen werden: Beispielsweise im Zusammenhang mit den vorgestellten Verfahren zur Energiegewinnung. Das Speicherkraftwerk: Sonne, die das Eis der Gletscher schmilzt – potentielle Energie im oberen Speichersee – kinetische Energie des Wassers beim Eintreten in die Turbine – Rotationsenergie in Turbine und Generator – elektrische Energie, die in das Stromnetz eingespeist werden kann. An einfachen Beispielen (zum Beispiel Umwandlung von potentieller in kinetische Energie beim Fall) kann eine Übung zur Energieerhaltung durchgerechnet werden.

Spezielle Lernziele, die mit diesem Stationenlernen verfolgt werden, sind: das Sensibilisieren für die Umweltproblematik; das Erkennen, dass Physik etwas mit unserem Leben zu tun hat (und für uns eine wichtige Rolle spielt); das selbstständige Erarbeiten eines Themenblocks (dazu ist unter anderem ein Internetzugang notwendig); das Recherchieren von Informationen (etwa im Internet oder durch bereitgestellte Literatur; Literaturliste im Anhang); eventuell das Mitschreiben wichtiger Informationen während des Films. Als eine Weiterführung oder Ergänzung zum Stationenlernen könnten Referate über weitere regenerative Energiequellen von den SchülerInnen erarbeitet werden: Energiegewinnung aus Müll und Biomasse, Brennstoffzelle, Solarenergie, Erdwärme, Gezeitenkraftwerke, Sonnenkollektor, Solarzelle, Kernfusion.

  • Flusskraftwerk (Quelle: Ebnerfilm, Salzburg)

    Flusskraftwerk bei Wien

  • (Quelle: Seaflow inc.)

    Eine Versuchsanlage nutzt Meeresströmungen zur Energiegewinnung

  • Modell Nutzung der Meeresströmung (Quelle: SWR)

    Propeller unter Wasser werden von der Meeresströmung angetrieben

  • Mehrere Windturbinen stehen in einer Reihe. (Quelle: Shutterstock.com) Windturbinen zur Stromerzeugung (Quelle: Shutterstock.com)
  • Abbildung eines  Meeresströmungskraftwerks (Quelle: SWR – Screenshot aus der Sendung) Modell eines Meeresströmungskraftwerks

Einsatz im Unterricht

Der Film behandelt die Umwandlung von elektrischer Energie aus der Bewegungsenergie des Wassers und der Luft. Ich habe ihn bereits mehrfach im Unterricht in verschiedenen Klassenstufen zu unterschiedlichen Fragestellungen eingesetzt.

Der Energiebegriff kommt in der gesamten Mittel- und Oberstufe (spiralförmiger Aufbau des Lehrplans) immer wieder und aus unterschiedlichen Perspektiven (mechanische Energie, Wärme, elektrische Energie, Kernenergie,...) vor. Oft stelle ich fest, dass Schüler mit dem Begriff und seiner Bedeutung Schwierigkeiten haben. Der Film kann zur Einführung, zur Erarbeitung, aber auch als Wiederholung zum Thema Energieumwandlung eingesetzt werden. Hierzu habe ich bereits in einer 7. Klasse den Film (aber auch andere auf der DVD-ROM Energie vorhandene Filme sowie das Hintergrundmaterial) als Einführung in das Thema „Energie“ eingesetzt.

Die Begriffe Energieform, Energieumwandlung und Energieumwandlungskette Energieumwandlungskette werden mit Hilfe des Filmmaterials sehr gut erklärt. Arbeitsblatt 1 ergänzt den Arbeitsauftrag und unterstützt die Lehrkraft bei ihren Vorbereitungen.

In einer 9. Klasse habe ich den Film zur Einführung in das Generatorprinzip verwendet. Die Schüler erfahren dabei direkt zu Beginn der Unterrichtsreihe die konkrete Anwendung und den Nutzen dieses physikalischen Prinzips. Die immer wiederkehrende Frage nach dem „Warum müssen wir dies lernen?“ wurde deshalb nicht gestellt. Im Anschluss an den Film haben die Schüler in Schülerexperimenten den Generator nachgebaut (Arbeitsblatt 2).

Durch eigenes Handeln wird die Funktionsweise eines Generators und die Gewinnung elektrischen Stroms für die Schüler noch einprägsamer als durch die Vorführung des Films allein. Die Klasse war trotz der Vorkenntnisse während des Experimentierens überrascht: „Wir haben ja Strom gemacht“. Anschließend hat die Klasse die eigenen Generatoren mit den im Film vorgestellten Generatoren verglichen. Die Erarbeitung des Zusammenhangs zwischen der relativen Bewegung zwischen Spule und Magnet erschien für einige Schüler entgegen der Erwartung anspruchsvoll.

  • Laufkraftwerk Abwinden-Asten (Quelle: VERBUND) Stromerzeugung mittels Laufwasserkraftwerk in Oberösterreich (Quelle: VERBUND)

In einer 8. Klasse haben die Schüler über die aktuelle Umweltpolitik referiert. Dazu haben einige Schüler Vorträge angefertigt, in denen sie ein Thema der Energieversorgung vorstellten; insbesondere wurde die Energieversorgung aus regenerativen Ressourcen (Windkraft, Solarenergie, Geothermie, Gezeitenkraftwerk, ...) der Kernenergie gegenübergestellt und beide Perspektiven diskutiert. Die Schüler sollten dabei Vor- und Nachteile, günstige Standorte, Kosten, Risiken und Chancen zusammentragen (siehe auch Kapitel „Kernenergie“). Den Schülern diente hierbei unter anderem das Filmmaterial als Unterstützung.

Immer wieder setze ich die Filme aus der Reihe „total phänomenal“ in Vertretungsstunden ein. Zusammen mit dem bereitgestellten Arbeitsmaterial lassen sich die 45 Minuten sinnvoll gestalten.

Arbeitsblatt 3 ist speziell für diesen Einsatz konzipiert. Hier tritt der allgemeinbildende Aspekt hervor und der physikalische eher in den Hintergrund. Anzumerken ist, dass auf der DVD-ROM Energie zusätzliches Arbeitsmaterial in Form von Simulationsexperimenten und kurzen Erläuterungen vorhanden ist. Auch dieses Material lässt sich hervorragend in den Unterricht einbinden, da Modelle die Vorstellung über naturwissenschaftliche Gegebenheiten fördern und Erklärungen begünstigen.

  • Arbeitsblatt 1: Energie, -umwandlung, -umwandlungskette, -wandler
  • Arbeitsblatt 2: Der Generator
  • Arbeitsblatt 3: Was sind regenerative/erneuerbare Energieformen?
  • Lösungen zu den Arbeitsblättern

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