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Das Experiment setzt sich aus vier Teilexperimenten zusammen: • Elektrische Energie aus der Strahlungsenergie des Lichts • Elektrische Energie aus Wasserkraft • Elektrische Energie aus Windenergie • Umwandlung von elektrischer Energie in chemische Energie und umgekehrt Die Abfolge von Teilexperimenten zu Photovoltaik, Wasserkraft, Windkraft und Wasserstofftechnologie bietet einen hochaktuellen Einstieg in das Thema Regenerative Energien. Der zeitliche und inhaltliche Umfang ist allerdings relativ groß. Deshalb eignet sich der Einsatz der Experimente vor allem in Form eines Projekts bzw. Projekttags zum Thema Energiewende. Aufgrund des Umfangs ist es auch kaum möglich, die zugrunde liegenden naturwissenschaftlichen Themen von den Schülerinnen und Schülern im Experiment erarbeiten zu lassen. Gewisse Grundkenntnisse vorausgesetzt, können sie allerdings ihr bereits vorhandenes physikalisches und chemisches Grundwissen anhand der Experimente bestens verifizieren. Alternativ können natürlich die Teilexperimente auch einzeln dazu verwendet werden, anhand einer lebensnahen technischen Anwendung den Einstieg in eines der naturwissenschaftlichen Basisthemen zu finden. Hinweise: • Bitte beachten Sie die Sicherheitshinweise in der Anleitung sowie die für Ihre Schule geltenden Sicherheitsrichtlinien. • Alle in der Anleitung genannten Materialien müssen selbst im Handel beschafft werden. Einzelne Experimentiermaterialien können auch im Onlineshop des Lehrmittelherstellers Arnulf Betzold GmbH unter www.betzold.de/experimento kostenpflichtig bezogen werden.
Hinweise zur Durchführung des Experiments „B6 Erneuerbare Energien – Sonne, Wasser, Wind

Die Energie, die in den primären Energieträgern gespeichert ist, stammt aus unterschiedlichen Energiequellen: Der Hauptanteil stammt von der Sonne und ist in fossilen und vielen regenerativen Energieträgern in unterschiedlicher Form gespeichert. Im Primärenergieträger „Geothermie“ steht die Restwärme des Erdkerns zur Verfügung. Die Energie im Gezeitenhub stammt aus der Rotationsenergie der Erde und die Energie in den nuklearen Energieträgern resultiert aus Prozessen in den Atomkernen bestimmter Elemente. Hinweise und Ideen: Die Schülerinnen und Schüler können überlegen, auf welchen Prozess sich alle Energiequellen letztendlich zurückführen lassen. Welche der Energiequellen sind in Zukunft von großer Bedeutung und warum? Das Beispiel mit dem Gezeitenhub ist didaktisch besonders wertvoll für den Physikunterricht, denn es scheint auf den ersten Blick ein Perpetuum mobile zu sein. Die Frage „Woher stammt die Energie eines Gezeitenkraftwerks?“ ist mit „Aus dem Höhenunterschied des Wassers (m x g x h)!“ nicht wirklich beantwortet. Zwar leuchtet jedem ein, dass die Hubarbeit der Mond geleistet hat. Doch woher hat er die Energie genommen? Was auf der einen Seite an Energie „gewonnen“ wird, muss ja woanders „verloren“ gehen. Richtig ist: Die Gravitation des Monds verschiebt die Wassermassen der Meere, was letztlich zu einer Abbremsung der Erdrotation führt. Die im Gezeitenkraftwerk gewonnene mechanische Energie stammt also letztlich aus dem Primärenergieträger „Rotationsenergie der Erde“.
So verweisen Sie auf das Medium Medienpaket: Wasser und Wind – traditionelle Energielieferanten

The chart shows how much carbon dioxide (CO2, given in kg) occurs in the “extraction of a kW hour of energy from various types of energy sources. In addition, it also shows the carbon dioxide quantities released during fuel supply and during construction of the power plants. In the fossil energy source group, natural gas has a relatively low level of carbon dioxide emissions and is thus, alongside the renewable energies and nuclear power, a good alternative for reducing carbon dioxide. Natural gas can be used particularly efficiently in combined cycle power plants for electric power generation. Information and ideas: It is important to realize that even renewable electric power generation involves carbon dioxide emissions (through construction).
Pollution of the environment; Power plant; Renewable energy; Solar technology; Wind

Ein kurzer Einleitungstext stimmt die Schülerinnen und Schüler auf das Experiment ein. Im Anschluss daran wird die Forschungsfrage formuliert. Die Schüler und Schülerinnen stellen Vermutungen an und tauschen sich über mögliche Lösungsansätze aus. Es folgt eine Auflistung des benötigten Materials sowie eine klare, schrittweise Anleitung zum Aufbau und zur Durchführung des Experiments in der Kleingruppe. Beobachtungsfragen zur Überprüfung der Ergebnisse können direkt auf der Anleitung beantwortet werden. Ebenso gibt es Reflexionsfragen, um das Experiment auszuwerten, einzuordnen und den Bezug zur Eingangsfrage herzustellen. Ein zusätzlicher Forschungsauftrag regt zum Weiterforschen an. Ein weiterer Arbeitsauftrag stellt einen Bezug zur Technik her. Es werden u.a. Fotos von technischen Anwendungen gezeigt, die in Zusammenhang mit den im Experiment erforschten naturwissenschaftlichen Prinzipien stehen. Zum Dokumentieren des Experiments gibt es Dokumentierhilfen in der Schüleranleitung bzw. ein leeres Formular zum Ausfüllen. Hinweise und Ideen: • Bitte beachten Sie die Sicherheitshinweise in dieser Anleitung, in der zum Experiment gehörigen Lehreranleitung sowie im Dokument „Sicherheitshinweise zu Experimento | 8+: Umwelt“ und besprechen Sie diese Hinweise mit den Schülerinnen und Schülern. • Bitte beachten Sie auch die für Ihre Schule geltenden Sicherheitsrichtlinien. • Diese Schüleranleitung gibt es auch als MS-Word-Datei.
und Fragen für Schülerinnen und Schüler zur Durchführung des Teilexperiments „B4 Wind

A short introductory text presents the experiment to the students. Then the research question is stated. The students make guesses and exchange ideas about possible solutions. This is followed by a list of the required materials as well as clear, step-by-step instructions for setting up and conducting the experiment in the small group. Observation questions for checking the results can be answered right on the instructions. There are also reflection questions for evaluating and incorporating the experiment and establishing the reference to the opening question. An additional research project encourages the students to do further research. Documentation aids in the student instructions or a blank form to be filled out is provided for documenting the experiment. Information and ideas: • Observe the safety information in these instructions, in the teacher instructions related to the experiment, as well as in the document “Safety information on the topic of the environment – Experimento I 8+” and discuss this information with your students. • Also observe the applicable safety guidelines for your school. • These student instructions are also available as a Word file.
Detailed instructions and questions for students on conducting the subexperiment “B4 Wind

Der Arbeitsauftrag enthält eine Grafik und drei Fotos: Die Grafik und die ersten beiden Fotos zeigen eine alltagsrelevante Anwendung. Das letzte Foto ist als weiterführende Idee gedacht. Konkrete Arbeitsaufträge leiten die Schülerinnen und Schüler an, sich mit den gezeigten Techniken auseinanderzusetzen, soweit das für die Schülerinnen und Schüler in den niedrigen Jahrgangsstufen möglich ist. Hinweise und Ideen: • Als Hilfe zur Lösung dient der Text in der gleichnamigen Sachinformation. Hier werden auch viele Zusatzinformationen gegeben. • Die Lösung findet man im gleichnamigen Lösungsblatt. • Mit diesen Arbeitsaufträgen soll im Rahmen von Experimento | 8+ ein Fenster zur Technik geöffnet werden. Zusammen mit den Schülerinnen und Schülern sollen Techniken, wie sie in den Experimenten vorkommen, vertieft bzw. die auf den Fotos gezeigten technischen Anwendungen in ihren Grundprinzipien erarbeitet und somit das im Experiment erworbene naturwissenschaftliche Wissen reflektiert und transferiert werden. Da Technik kein zentrales Lernziel von Experimento | 8+ ist, werden die Schülerinnen und Schüler dazu angeregt, sich mit der sie umgebenden Technik auseinanderzusetzen, jedoch nicht umfassend zum Erforschen der Lösung angeleitet. Letzteres kann aufgrund der Komplexität der gezeigten technischen Anwendungen auch nicht von den Schülerinnen und Schülern erwartet werden.
Teilexperiment 1 „Luftdruck messen“ der Experimentieranleitung zu Experimento | 8+ „B4 Wind

Überschüssiger Strom kann zur Elektrolyse (elektrochemische Zersetzung) von Wasser (H2O) zu Wasserstoffgas (H2) und Sauerstoffgas (O2) genutzt werden. Das Wasserstoffgas wird dann unter Druck oder verflüssigt in Tanks gelagert. Bei Strombedarf wird der Wasserstoff durch Verbrennung über Brennstoffzellen, Gasturbinen, Diesel- oder Stirlingmotoren wieder zu Strom zurückgewandelt. Alternativ kann Wasserstoffgas auch bis zu ca. 5 % bis 10 % ins Erdgasnetz eingespeist werden. Wächst der Anteil an regenerativem Strom, wird aus H2 und CO2 durch mehrstufige katalytische Reaktionen Methan (CH4 = „Erdgas“) gewonnen und ins Gasnetz eingespeist. Die dafür nötige Chemie und Technologie ist altbewährt, wurde doch bereits in Deutschland im 2. Weltkrieg auf ähnliche Weise synthetisches Benzin hergestellt. Mit dem Erdgasnetz und den bereits in großem Maßstab vorhandenen Erdgasspeichern (bis zu 4 Monaten Kapazität) besteht bereits eine sehr leistungsfähige und flächendeckende Verteilungs- und Speicherinfrastruktur. Auch die bereits vorhandenen Gasturbinenkraftwerke könnten nun rein regenerativ weiter betrieben werden. Die Wasserstoff- bzw. Methanerzeugung und die Stromerzeugung durch Gasturbinen können an beliebigen Stellen im Stromnetz erfolgen. D. h. auch das Stromnetz muss nicht so stark ausgebaut werden.
Power to Gas Bild Grafik, beschriftet: Durch die Umwandlung von überschüssigem Wind

Überschüssiger Strom kann zur Elektrolyse (elektrochemische Zersetzung) von Wasser (H2O) zu Wasserstoffgas (H2) und Sauerstoffgas (O2) genutzt werden. Das Wasserstoffgas wird dann unter Druck oder verflüssigt in Tanks gelagert. Bei Strombedarf wird der Wasserstoff durch Verbrennung über Brennstoffzellen, Gasturbinen, Diesel- oder Stirlingmotoren wieder zu Strom zurückgewandelt. Alternativ kann Wasserstoffgas auch bis zu ca. 5 % bis 10 % ins Erdgasnetz eingespeist werden. Wächst der Anteil an regenerativem Strom, wird aus H2 und CO2 durch mehrstufige katalytische Reaktionen Methan (CH4 = „Erdgas“) gewonnen und ins Gasnetz eingespeist. Die dafür nötige Chemie und Technologie ist altbewährt, wurde doch bereits in Deutschland im 2. Weltkrieg auf ähnliche Weise synthetisches Benzin hergestellt. Mit dem Erdgasnetz und den bereits in großem Maßstab vorhandenen Erdgasspeichern (bis zu 4 Monaten Kapazität) besteht bereits eine sehr leistungsfähige und flächendeckende Verteilungs- und Speicherinfrastruktur. Auch die bereits vorhandenen Gasturbinenkraftwerke könnten nun rein regenerativ weiter betrieben werden. Die Wasserstoff- bzw. Methanerzeugung und die Stromerzeugung durch Gasturbinen können an beliebigen Stellen im Stromnetz erfolgen. D. h. auch das Stromnetz muss nicht so stark ausgebaut werden.
Power to Gas Bild Grafik, beschriftet: Durch die Umwandlung von überschüssigem Wind

Ein kurzer Einleitungstext stimmt die Schülerinnen und Schüler auf das Experiment ein. Im Anschluss daran wird die Forschungsfrage formuliert. Die Schüler und Schülerinnen stellen Vermutungen an und tauschen sich über mögliche Lösungsansätze aus. Es folgt eine Auflistung des benötigten Materials sowie eine klare, schrittweise Anleitung zum Aufbau und zur Durchführung des Experiments in der Kleingruppe. Beobachtungsfragen zur Überprüfung der Ergebnisse können direkt auf der Anleitung beantwortet werden. Ebenso gibt es Reflexionsfragen, um das Experiment auszuwerten, einzuordnen und den Bezug zur Eingangsfrage herzustellen. Ein zusätzlicher Forschungsauftrag regt zum Weiterforschen an. Ein weiterer Arbeitsauftrag stellt einen Bezug zur Technik her. Es werden u.a. Fotos von technischen Anwendungen gezeigt, die in Zusammenhang mit den im Experiment erforschten naturwissenschaftlichen Prinzipien stehen. Zum Dokumentieren des Experiments gibt es Dokumentierhilfen in der Schüleranleitung bzw. ein leeres Formular zum Ausfüllen. Hinweise und Ideen: • Bitte beachten Sie die Sicherheitshinweise in dieser Anleitung, in der zum Experiment gehörigen Lehreranleitung sowie im Dokument „Sicherheitshinweise zu Experimento | 8+: Umwelt“ und besprechen Sie diese Hinweise mit den Schülerinnen und Schülern. • Bitte beachten Sie auch die für Ihre Schule geltenden Sicherheitsrichtlinien. • Diese Schüleranleitung gibt es auch als MS-Word-Datei.
und Fragen für Schülerinnen und Schüler zur Durchführung des Teilexperiments „B4 Wind

Der Arbeitsauftrag enthält eine Grafik und drei Fotos: Die Grafik und die ersten beiden Fotos zeigen eine alltagsrelevante Anwendung. Das letzte Foto ist als weiterführende Idee gedacht. Konkrete Arbeitsaufträge leiten die Schülerinnen und Schüler an, sich mit den gezeigten Techniken auseinanderzusetzen, soweit das für die Schülerinnen und Schüler in den niedrigen Jahrgangsstufen möglich ist. Hinweise und Ideen: • Als Hilfe zur Lösung dient der Text in der gleichnamigen Sachinformation. Hier werden auch viele Zusatzinformationen gegeben. • Die Lösung findet man im gleichnamigen Lösungsblatt. • Mit diesen Arbeitsaufträgen soll im Rahmen von Experimento | 8+ ein Fenster zur Technik geöffnet werden. Zusammen mit den Schülerinnen und Schülern sollen Techniken, wie sie in den Experimenten vorkommen, vertieft bzw. die auf den Fotos gezeigten technischen Anwendungen in ihren Grundprinzipien erarbeitet und somit das im Experiment erworbene naturwissenschaftliche Wissen reflektiert und transferiert werden. Da Technik kein zentrales Lernziel von Experimento | 8+ ist, werden die Schülerinnen und Schüler dazu angeregt, sich mit der sie umgebenden Technik auseinanderzusetzen, jedoch nicht umfassend zum Erforschen der Lösung angeleitet. Letzteres kann aufgrund der Komplexität der gezeigten technischen Anwendungen auch nicht von den Schülerinnen und Schülern erwartet werden.
Teilexperiment 1 „Luftdruck messen“ der Experimentieranleitung zu Experimento | 8+ „B4 Wind