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© Dagmar Heene / WWF
Physik des Erneuerbaren - Fluidkraftwerke


von JuliusS
24.12.2015
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Fluide. Eines dieser Wörter, das man hundert Mal sagt und dann nicht mehr weiß, ob es dieses Wort überhaupt gibt. Obwohl man wohl eher sagen müsste eines dieser Wörter, das man anguckt und sich fragt, ob es das gibt. Fluide. Was soll das sein? Und warum sollte man daraus Strom machen wollen? Das hört sich eher nach einem hochgiftigen Stoff an als nach irgendwas sinnvollen. Also der Reihe nach. Was sind Fluide?
„Die Strömungslehre bezeichnet als Fluid (vom lateinischen fluidus für „fließend“ und vom englischen fluid für die „Flüssigkeit“) eine Substanz, die einer beliebig langsamen Scherung keinen Widerstand entgegensetzt (endliche Viskosität).“ Das sagt Wikipedia und das hilft uns in Summe gar nichts. Na gut ein bisschen. Es scheint um irgendwas Flüssiges zu gehen. Wenn man weiter liest, wird es allerdings etwas klarer, was gemeint ist. Da steht da nämlich: „Der übergeordnete Begriff Fluid wird für Gase und Flüssigkeiten verwendet, weil viele physikalische Gesetze für beide Aggregatzustände gleichermaßen gelten und sich ihre Eigenschaften nur quantitativ, also in ihren Größenordnungen, aber nicht qualitativ unterscheiden.“ Das ist doch mal ne Aussage. Gase und Flüssigkeiten.
Und damit erklären sich auch die anderen Fragen. Hinter dem sperrigen Begriff Fluidkraftwerke (den ich mir ausgedacht habe, keine Ahnung ob es das tatsächlich gibt) verbergen sich die Windkraftanlagen, Wasserkraftwerke, Gasturbinen und so weiter.
Warme Luft steigt nach oben, Wasser fließt Bergabwärts und die Erde dreht sich und erzeugt Wind. Alles Dinge, die einfach so passieren, und das die meiste Zeit ohne, dass wir etwas machen müssen. Wunderbar Erneuerbare Energien. Doch es gibt da ein paar Probleme. Diese Kraftwerke sind nämlich die mit Abstand umstrittensten Kraftwerke, die es gibt.
Beispiel Windkraft:
Sie zerstören das Landschaftsbild, sind eine Zumutung für die Menschen, dröhnen wenn sie laufen, und stören die Flugruten von Vögeln.
Beispiel Wasserkraftwerke:
Die Dämme die errichtet werden blockieren die Flüsse und Fische können nicht mehr zu ihren Lagerplätzen.

Beispiel Gaskraftwerke:
Woher kommt die heiße Luft? Sind sie wirklich so effizient? Und sind sie wirklich umweltfreundlich?
Viele Probleme die auf den ersten Blick schwer zu überwinden sind. Doch fangen wir erst mal mit der Physik an, dann gucken wir nochmal auf die Probleme.

Die Grundlage kann man an etwas erklären, was jeder von euch kennt. Das kleine Ding hinten am Fahrrad namens Dynamo. Ein Dynamo besteht aus mehreren Teilen, die zusammen Strom erzeugen, und zwar Wechselstrom. Das Prinzip dahinter nennt sich Induktion. Um zu verstehen, wie das geschieht muss man erst mal ein bisschen auf verschiedene Kräfte eingehen. Und zwar auf die elektrische und die magnetische Kraft. Die Elektrische Kraft führt dazu, dass sich geladene Teilchen anziehen oder abstoßen. Die magnetische Kraft sorgt dafür, dass sich magnetisierte Teilchen anziehen oder abstoßen. Dass diese beiden Kräfte identisch sind, wissen wir seit Mitte des 19. Jahrhunderts. Statt elektrischer und Magentische Kraft sagen wir heutzutage elektromagnetische Kraft. In der Quantenmechanik gibt es vier fundamentale Kräfte, aus denen alle anderen Kräfte hervorgehen. Diese Kräfte haben (fast) alle je ein bestimmtes Botenteilchen, dass diese Kraft überträgt. Bei der elektromagnetischen Kraft, ist dies das Photon, was wir letztes Mal schon hatten. Dass dieses Teilchen das gleiche ist, in beiden Kräften, zeigt schon, dass diese beiden Kräfte interagieren können. Und das passiert bei der Induktion. Elektrische Kraft wird in magnetische kraft umgewandelt und umgekehrt. Und alle die Physik verstehen und kennen werden jetzt meckern. Denn es wird nicht direkt die Kraft umgewandelt, sondern das Feld. Und auch nicht umgewandelt, denn es ist ja schon das Gleiche. Aber zu erklären, was ein Feld ist, ist extrem schwer, wenn man es Physikalisch korrekt erklären will. Am besten geht es glaub ich so: Das Feld ist die Kraft auf einen Körper an verschiedenen Stellen ohne den Körper. Also: Wenn ein kleines Elektron irgendwie grad lustig durch ein Stück Metall schwirrt und dann jemand Strom durch dieses Metall jagt, dann bekommt das Elektron das als eine Kraft die auf es wirkt mit. Das Elektrische Feld beschreibt jetzt die Stärke der Kraft, die auf dieses Elektron einwirken würde, wenn das Elektron grade da ist. :) Ich hoffe, dass ist jetzt einigermaßen klar geworden.
Wenn jetzt nicht eine stetige Kraft, auf etwas einwirkt, sich die Kraft also verändert, dann wird dieser Kraftfluss automatisch versucht zu verhindern. Genau so ist das bei der Induktion. Durch eine Spirale wird Strom geleitet, dadurch entsteht um die Spule ein Magnetfeld. Wenn nun neben der Spule eine weitere Spule ist, wird in diese durch das Magnetfeld ein Stromfluss induziert, und zwar in entgegengesetzte Richtung zum ursprünglichen Stromfluss. Sieht kompliziert aus, deshalb gibt’s das gleich nochmal in Bildern, da wird das (hoffentlich) etwas klarer. Wenn man jetzt einfach so aus Spaß bei der ersten Spule die beiden Kabel von der Batterie nimmt und andersrum wieder dransteckt (+ und – Pol vertauscht) und dadurch den Stromfluss ändert, ändert man die Richtung des Magnetfeldes, das den Stromfluss in der anderen Spule ändert. Kurz zusammengefasst:
Stromfluss -> Magnetfeld -> Stromfluss in andere Richtung.
Jetzt werden einige sich sicherlich schon fragen, warum man das so umständlich macht. Denn es gibt doch eine viel einfachere Methode dafür. Kurz: Magnetfeld -> Stromfluss. Also wenn ich einfach einen Dauermagneten nehme, dann sollte der ja ein Magnetfeld abgeben. Und dieses Magnetfeld sollte im Grunde genommen doch auch einen Stromfluss erzeugen. Und so in etwa funktionieren dann auch die Kraftwerke. Es gibt einen Magneten und eine Spule. Die Spule ist an dem Stromnetz angeschlossen und der Magnet an einem Stab befestigt. Der Stab ist an Rotorblättern befestigt, und wenn sich der Rotor dreht, dreht sich auch der Magnet. Und Tadaaaa. Unser verändertes Magnetfeld, dass in die nette Spule Strom induziert, und zwar, und das ist etwas herrliches, sogar in Wechselstrom. Genau wie wir Verbraucher uns das wünschen.
Ich hoffe euch ist das Prinzip etwas klarer geworden, wie immer verlinke ich nachher noch ein paar Links zum weiter stöbern. Doch bevor ich zum Schluss komme müssen wir noch ein bisschen über die Probleme reden.

Hat nicht (alles) mit Physik zu tun, aber trotzdem wichtig.
Dazu gehen wir die Einzelnen (bekanntesten) Kraftwerke mal der Reihe nach durch.

Angefangen mit dem unbeliebtesten: Dem Atomkraftwerk.
In einem Atomkraftwerk wird der Dynamo mit Wasserdampf angetrieben, dieser Wasserdampf wird durch die Interaktion von kleinsten Teilchen erzeugt, die bei dem Zerfall von radioaktivem Material entstehen. Diese Art der Stromerzeugung hat einige Vorteile. Zum Beispiel besitzt Uran, das am häufigsten verwendete Material eine unglaublich hohe Energiedichte, sprich, aus einem Kilo Uran bekommt man ziemlich viel Energie raus, Um einiges mehr als aus den meisten anderen Materialien. Zweitens ist ein eine CO2 neutrale Technik. Es werden keine kohlenstoffhaltigen Materialien verbrannt, also kann auch kein CO2 entstehen, alles was entsteht ist reiner Wasserstoff. Das große Problem mit der Atomkraft ist der radioaktive Abfall, der dabei entsteht. Da es bis jetzt noch keine wirkliche Endlager gibt, ist dies durchaus ein berechtigtes Problem.
Also keine gute Idee. Vielleicht das nächste?

Nummer zwei: Wasserkraftwerke.
Herrliches zeug das. Kommt später (vielleicht) noch nen Artikel drüber, denn diese Dinger eignen sich hervorragend zum Speichern von Energie. Super einfache Methode, schon ewig im Einsatz und eigentlich echt nette Teile. DOCH: Die Deiche, die dazu aufgebaut werden müssen, versperren den Fischen den Weg, dadurch erreichen viele ihre Laichplätze nicht mehr. Außerdem zerstört das aufgestaute Wasser die Gegend um den ursprünglichen Fluss herum und deshalb ist das doch nicht so gut.
Hmm. Fische werden gestört, dann gehen wir doch aus dem Wasser raus:

Nummer drei: Windkraftanlagen.
DER Zukunftsenergieträger überhaupt. Killt keine Fische, das mit den Vögeln ist eine Behauptung, die noch überprüft werden muss, denn natürlich sind die Windräder schnell, aber ob die wirklich Vögel töten? Ich weiß es nicht und will mich da auch nicht weiter mit aufhalten. Denn es gibt ein viel, viel, viel, viel größeres Problem. Dieses Problem plagt Gemeinden schon seit Jahren.
Die Dinger sind potthässlich. Stehen da einfach dumm in der Gegend rum und machen nichts, außer doof auszusehen. Und sie erzeugen hoch gefährlichen Ultraschall, da kann man nicht mehr so gut schlafen. Und auch sonst sind die echt gefährlich…
Also: Abschaffen, so weit wie möglich weg von irgendwelcher Zivilisation, oder am besten gar nicht bauen. Das ist sowieso das Beste.
Bleibt noch


Nummer vier: Müll.
Ja genau Müll als Energieerzeuger. Heißt normalerweise „energetische Nutzung“ oder „thermische Weiterverarbeitung“. Oder kurz, der Müll (meistens der normale Restmüll) wird in nen fettes Silo gestopft, Feuerzeug rein und das brennt das Ding.
Naja zumindest prinzipiell, aber so in der Realität sieht das anders aus. Der meiste Müll ist zu nass und es muss aktiv nachgeheißt werden. Die Gasturbinen, die durch die nach oben strömende heiße Luft angetrieben werden sind wahnsinnig ineffektiv, und statt Restmüll kommt alles in das Feuer, was man nicht wirklich weiter verarbeiten kann. Und es entsteht wieder CO2, also auch nicht so gut.

Sprich: Es gibt mit allem Probleme. Und diese Probleme muss man in den Griff bekommen. Wie, das bleibt eine Frage von Politik und Gesellschaft und wird maßgeblich darüber entscheiden, ob 100% erneuerbare machbar sind, oder nicht.

Denn, und das ist hoffentlich in den beiden Berichten klar geworden, die physikalischen Grundlagen für die Energiewende sind da, und zwar schon lange. Diese um- und einzusetzen ist ein viel größeres Problem. Das liegt nicht nur an der Mentalität, dass Windräder einen Kilometer vor dem Haus blöd aussehen, sondern auch an Problemen des Verbrauchs und der Sicherheit, dass Strom kommt, wenn wir den Lichtschalter anmachen.
Die Energiewende wird kommen und sie wird mehr Umbau erfordern also bloß die alten AKWs abzuschalten und überall Solarzellen auf Dach zu stecken. Die energiewende bringt vielerlei Anforderungen mit sich. Denn vom Kraftwerk, wo der Strom produziert wird, zur Steckdose bei Müllers um die Ecke ist es ein weiter weg. Und wie die physikalischen Hürden dort aussehen und wie wir diese überwinden können, damit geht im neuen Jahr mit der Serie weiter.

Bis dahin, frohe Weihnachten, und ein schönes neues Jahr, lasst euch reich und ökologisch beschenken und verliert auf keinen Fall die Lust an dieser Erde.

Freundliche Grüße
Euer Julius


PS: Die Übersicht
Erzeugungsart:                               Luft und Wasser, rotierende Magnetfelder :)
Strom Art                                       Wechselstrom
Wirkungsgrad, theoretisch               59,3%
Wirkungsgrad, Praxis (Windrad)       Bis zu 50%
Leistung                                        Abhängig von Geschwindigkeiten
Physikalisch interessant                   Induktion

PPS: Quellen:
http://www.weltderphysik.de/gebiet/technik/energie/gewinnungumwandlung/windkraft/physik-der-windenergie/
http://www.leifiphysik.de/themenbereiche/elektromagnetische-induktion (Das meiste hab ich aus meinen alten Physik unterlagen zusammen getragen, aber die Seite ist eigentlich ganz nett. Es wird nochmal nett erklärt, und man kann sich einige nette Experimente angucken :)

 

Bilder wie immer von Wikipedia außer dieser schrecklich untalentierten Zeichnung, die natürlich von mir ist :D


PPPS: Sonstiges:
1. AKWs, was soll der Schrott, oder doch gar nicht so schlecht. Ich weiß, dass das ein sehr umstrittenes Thema hier in der Community ist und hab da auch schon was vorbereitet, um die Diskussion mal mit nen paar neuen Argumenten anzufachen :) der Artikel dazu kommt irgendwann demnächst raus :)
2. Sollte ich irgendwas vergessen haben, tut mir das natürlich Leid. Ihr könnt gerne nach nochmal nachfragen.
3. Nachfragen und sonstige Kritik sind sowieso immer willkommen :D
4. HIER der Link zu dem letzten Bericht aus der Reihe.
5. Es ist etwas länger geworden, hoffe das ist nicht so schlimm :)
6. Das war’s jetzt wirklich :D Bis zum nächsten Mal. Und frohe Weihnachten und ein wundervolles neues Jahr :)

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Kommentare (2)
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Sortieren nach Aktualität:
25.12.2015
theresapanda hat geschrieben:
krass cooler bericht ich kannte das wort fluid nichtmal
24.12.2015
Bjarne2000 hat geschrieben:
Super Bericht, schön erklärt, danke! Ich find es super, wie du so etwas erklären kannst, ohne irgentwelche unverständlichen Begriffe zu verwenden (mein Lieblingssatz ist "Oder kurz, der Müll [...] wird in nen fettes Silo gestopft, Feuerzeug rein und das brennt das Ding" :D )

Aber bin ich der Einzige Mensch der Welt, der Windräder optisch nicht sooo katastrophal findet? xD Ich mein ich halte die jetzt auch nicht für absolute Schönheiten, aber so ein Drama wie manche drum machen kann nicht nachvollziehen...
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