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total phänomenal · Energie

Strom aus Strömung (Fassung 2005) | Unterricht

STAND
Autor/in
Claudia Backes
Claudia Bonerz

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.

Großgeneratoren (Foto: SWR - Screenshot aus der Sendung)
Im Kraftwerk produzieren mehrere Großgeneratoren elektrische Energie SWR - Screenshot aus der Sendung Bild in Detailansicht öffnen
einfaches Wasserrad SWR Bild in Detailansicht öffnen
Kaplanturbine SWR Bild in Detailansicht öffnen
Windräder nutzen die Luftströmung als Energiequelle SWR Bild in Detailansicht öffnen
Flusskraftwerk (Foto: Ebnerfilm, Salzburg)
Flusskraftwerk bei Wien Ebnerfilm, Salzburg Bild in Detailansicht öffnen
Eine Versuchsanlage nutzt Meeresströmungen zur Energiegewinnung Seaflow inc. Bild in Detailansicht öffnen
Propeller unter Wasser werden von der Meeresströmung angetrieben SWR Bild in Detailansicht öffnen
Mehrere Windturbinen stehen in einer Reihe. (Foto: Shutterstock)
Windturbinen zur Stromerzeugung Shutterstock Bild in Detailansicht öffnen
Modell eines Meeresströmungskraftwerks SWR – Screenshot aus der Sendung Bild in Detailansicht öffnen

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 (Foto: VERBUND)
Stromerzeugung mittels Laufwasserkraftwerk in Oberösterreich 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.

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Energie aus Biomasse

Pflanzen, Gülle oder Biomüll lassen sich zur Gewinnung von Wärme, elektrischer Energie oder Kraftstoff nutzen. Zwar entsteht auch bei der Verbrennung nachwachsender Rohstoffe CO2, doch nur so viel, wie beim Wachsen durch Photosynthese in den Pflanzen gebunden wurde. Solange dieser Kreislauf innerhalb kurzer Zeit abläuft, ist die CO2 -Bilanz – anders als bei fossilen Energieträgern – neutral. So können in Biogasanlagen oder Biomasse(heiz)kraftwerken „grüner“ Strom und Wärme produziert werden; wie, das zeigt die Sendung.

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Energiespeicher und Stromnetze

Was muss geschehen, wenn es mit der Energiewende ernst werden soll? Windkraft- und Solaranlagen produzieren zwar immer mehr elektrische Energie, doch sind sie von Wetter und Tageszeit abhängig und stehen nicht immer da, wo der Strom benötigt wird. So müssen zusätzliche Stromtrassen gebaut werden, um Energie über lange Strecken zu transportieren. Und es braucht Energiespeicher, damit einmal erzeugte Energie nicht verloren geht. Neben Pumpspeicherkraftwerken stellt der Film auch aktuelle Systeme wie Batteriespeicher oder Power-to-Heat-Anlagen vor.

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Sonnenenergie

Unser Bedarf an Wärme und Strom ließe sich weitgehend durch die Energie der Sonne decken. Die Sendung zeigt, wie Solarkollektoren zur Warmwasserbereitung funktionieren und wie Solarzellen Licht in elektrische Energie umwandeln. Das Potenzial der Sonne zur Stromerzeugung ist riesig, besonders in den sonnenreichen Regionen der Erde. Dort könnte in großen Solarthermie-Kraftwerken so viel elektrische Energie produziert werden, dass damit auch sonnenärmere Gegenden versorgt werden könnten, wenn es genügend Netze und Speicher gäbe.

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Windenergie und Wasserkraft

Alle reden von der Energiewende. Aber kann unser Strombedarf durch erneuerbare Energien gedeckt werden?
Mit Windkraft wird in Deutschland weit mehr Strom erzeugt als mit Wasserkraft, mit der allerdings Energie auch gespeichert werden kann. Der Film erklärt, wie Windkraftanlagen, Laufwasserkraftwerke und Pumpspeicherkraftwerke funktionieren. Er weist darauf hin, welche Rolle der Klimawandel für Wind- und Wasserkraft spielt, und dass manche Großprojekte zur Energieerzeugung einschneidende Auswirkungen auf Umwelt und Gesellschaft haben.

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Energie aus der Erde

Im Innern der Erde kocht und brodelt es. Dort schlummert ein gewaltiges Energiepotenzial, das es anzuzapfen gilt: Erdwärme. In Zeiten steigender Strom- und Heizungskosten sind Alternativen zu Öl und Kohle gefragt. Außerdem müssen wir dringend den CO2-Ausstoß senken. Erdwärme ist eine saubere Sache, die nicht nur für Geothermie-Kraftwerke, sondern auch für den Häuslebauer interessant ist. Island hat ideale Bedingungen für die Energiegewinnung aus Erdwärme, aber auch in Deutschland gibt es gute Möglichkeiten. Der Boom hat gerade erst begonnen.

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Kernkraft (Fassung 2016)

Die Atomkatastrophe von Fukushima hat die Welt erschüttert. Spätestens seitdem ist klar: Prinzipiell kann so ein Unfall in jedem Reaktor überall auf der Welt geschehen. Deutschland hat deswegen den Ausstieg aus der Atomenergie beschlossen. In vielen anderen Ländern aber spielen Kernkraftwerke immer noch eine wichtige Rolle für die Energieversorgung.
Die Sendung erläutert die Mechanismen der Kernspaltung und die Funktionsweise eines Druckwasserreaktors. Sie erklärt, wie es zur Katastrophe von Fukushima kommen konnte und was dabei in den Unglücksreaktoren vor sich ging. Die Erkenntnisse aus den Vorgängen in Japan haben große Auswirkungen auf die Sicherheitstechnologie neuer Kernreaktoren, wie ein Beispiel aus Finnland zeigt.
Der atomare Rückbau stellt für Deutschland eine große Herausforderung dar. Am Beispiel des stillgelegten Kernkraftwerks Greifswald wird deutlich, wie schwierig und aufwendig der atomare Rückbau ist.
Ein Problem bleibt für alle Kernkraftwerke bestehen, ob stillgelegt oder noch in Betrieb: die Entsorgung der abgebrannten Uran-Brennelemente. Das Problem der atomaren Endlagerung ist noch immer ungelöst.

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Multitalent Erdöl

Erdöl ist etwas ganz Besonderes – mit dem schwarzen Gold läuft alles wie geschmiert: Autos, Flugzeuge, Maschinen und Heizungen. Und viele Gegenstände des täglichen Gebrauchs werden ebenfalls aus dem Rohstoff gewonnen. Doch die Vorräte werden langsam knapp, das Erdöl deshalb immer teurer. Das spüren die Verbraucher nicht nur an der Tankstelle. Und für die Ölkonzerne rechnen sich immer neue Wege, um mit High-Tech-Geräten die letzten Reserven anzuzapfen.
„total phänomenal“ zeigt, wie sich der begehrte Rohstoff vor 150 Millionen Jahren gebildet hat, wie man ihn fördern kann und wie man daraus die Stoffe gewinnt, die uns das Leben so angenehm machen.

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Bio gibt Gas – Bioenergie (Fassung 2005)

Oft denkt man bei Bioenergie nur an die Nutzung von Faulgasen aus Schweinezuchtbetrieben oder Kläranlagen. In den 1980er Jahren wurde die Energiegewinnung aus Biomasse als Alternative für Aussteiger belächelt. Längst jedoch haben auch große Autokonzerne ihre Forschungsaktivitäten in diese Richtung gelenkt. Nicht aus Fäkalien, sondern schlicht aus Pflanzen soll zukünftig handelsüblicher Treibstoff hergestellt werden. Der Hauptvorteil: Bei der Verbrennung entstehendes CO2 wird in den neu wachsenden Pflanzen wieder verwertet. Dadurch wird das klimaschädigende Kohlendioxid in einem ständigen Kreislauf gehalten.
Welche Formen der Bioenergie gibt es, und welchen Beitrag werden sie in der Zukunft leisten können? „total phänomenal“ begibt sich auf Spurensuche.

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Strom aus Strömung (Fassung 2005)

Wasser- und Windkraft haben nach wie vor Zukunft. Ihr Anteil wird noch zunehmen, denn der Bedarf an emissionsfreier Energie wächst.

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Wellen, die wärmen (Fassung 2005)

Die Sonne schickt nicht nur ihr Licht zur Erde, sondern auch Wärmestrahlen. Diese sind grundlegend für das Leben auf der Erde, und sie werden von Tieren und Menschen auf raffinierte Weise eingefangen und genutzt. So schafft es zum Beispiel der Pinguin, nicht einmal bei Temperaturen von minus 50 Grad zu frieren. Und selbst in unseren Breiten wandeln immer mehr Sonnenkollektoren die Energie der Sonne in warmes Wasser um; in Spanien gewinnen Forscher aus der begehrten Sonnenwärme sogar direkt Strom. Der Beitrag macht auch klar, dass es ohne den natürlichen Treibhauseffekt kein Leben auf der Erde gäbe und zeigt, wie der wirtschaftende Mensch seinem Heimatplaneten über die Maßen einheizt.

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The Versatility of Crude Oil

Erdöl ist ein ganz besonderer Saft und „in aller Munde“, wenn mal wieder der Benzinpreis steigt. Autos, Flugzeuge, Maschinen, Heizungen, Industrie – mit dem schwarzen Gold läuft alles wie geschmiert. Doch die Vorräte werden langsam knapp, da müssen sich die Ölkonzerne schon einiges einfallen lassen, um mit High-Tech-Gerät die letzten Reserven anzuzapfen.
Die Welt hängt am Öl und „total phänomenal“ zeigt, wie sich der begehrte Rohstoff vor 150 Millionen Jahren gebildet hat, wie man an ihn herankommt und wie man aus dem schmierigen Saft die Stoffe gewinnt, die uns das Leben so angenehm machen.

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Claudia Backes
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