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Windkraft

MINT_Bildung

Created on May 14, 2025

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Windkraft

ThementagEnergien der Zukunft

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Wichtig zu beachten!

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Habt ihr euch schon einmal gefragt, woher der Strom aus der Steckdose eigentlich kommt – und ob das gut für unsere Umwelt ist? Heute nehmen wir euch mit auf eine spannende Reise in die Welt der erneuerbaren Energien. Im Mittelpunkt steht dabei der Wind – eine unsichtbare Kraft, die erstaunlich viel bewegen kann.

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In allen Lebensbereichen benötigen wir Energie. Egal ob Autofahren, Telefonieren, oder am Computer arbeiten- ohne Energie wäre das alles nicht möglich!

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Besonders wichtig für unseren Alltag ist der elektrische Strom (die elektrische Energie) aus der Steckdose. Den benötigen wir, um Elektrogeräte nutzen zu können.

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Energie für den alltäglichen Gebrauch wird meistens in großen Kraftwerken und Anlagen ,,produziert". Eigentlich ist der Ausdruck ,,Energie produzieren" so nicht ganz korrekt. Man kann Energie nämlich genaugenommen nicht erzeugen, sondern nur umwandeln. Das hat mit einem Gesetz zu tun, von dem du bestimmt schonmal etwas gehört hast.

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Energie in einem Pendel

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Ein gutes Beispiel für den Energieerhaltunssatz ist eine Kurbeltaschenlampe. Wenn du an der Kurbel drehst, wird die Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt. Die elektrische Energie wird dann wiederum in Lichtenergie umgewandelt und die Taschenlampe leuchtet.

Bewegungsenergie

Elektrische Energie

Lichtenergie

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Kosmische Strahlung klingt zwar futuristisch und enthält sehr viel Energie, wird aber bislang noch nicht zur Energieproduktion genutzt. Mithilfe von Muskelkraft lässt sich zwar Energie erzeugen, jedoch wäre die Energiemenge viel zu gering und würde nicht mal annähernd reichen, um viele Millionen Menschen zu versorgen.

Was ist kosmische Strahlung?

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Der meiste Strom wird also mithilfe von fossilen Energieträgern, erneuerbaren Energieträgern oder Kernkraft erzeugt. Dabei gibt es in den drei Kategorien wiederum verschiedene Möglichkeiten, woher genau die Energie bzw. der Strom kommt. Einige davon kennst du bestimmt schon!

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Sieh dir die verschiedenen Energiearten genauer an.

Fossile Energieträger

Erneuerbare Energieträger

Kernenergie

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Exkurs: Umweltschäden durch CO2

Beim Verbrennen von fossilen Energieträgern entsteht viel CO2. CO2 steht für Kohlenstoffdioxid. Das ist ein Gas, das zum Beispiel auch aus dem Auspuff von Autos kommt. Es ist in großen Mengen sehr gefährlich und kann der Umwelt und uns Menschen schaden. Doch warum ist das so?

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Klimaschädliche Gase wie CO2 sorgen dafür, dass die Wärme der Sonnenstrahlung in der Atmosphäre ,,gefangen" bleibt und die Erde sich immer stärker erwärmt. Das nennt man auch Treibhauseffekt.

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hoher CO2-Gehalt

normaler CO2-Gehalt

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Der Treibhauseffekt führt heute bereits zum Anstieg der Meeresspiegel, Dürren, Missernten, Waldbränden und Artensterben.

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Mittlerweile versucht man zunehmend den Energiebedarf mit erneuerbaren Energien zu decken, da das Verbrennen von fossilen Energieträgern sehr umweltschädlich ist und bei der Gewinnung von Kernenergie gefährlicher, radioaktiver Müll entsteht.

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Da die Windenergie in Deutschland den größten Anteil an den erneuerbaren Energien für die Gewinnung von Strom hat, werden wir sie heute etwas genauer unter die Lupe nehmen.

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Aufbau eines Windrads

Rotorblatt

Turm

Fundament

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Aufbau eines Windrads

Rotorblatt

Turm

Fundament

Aufbau eines Windrads

Rotorblatt

Turm

Fundament

Aufbau eines Windrads

Rotorblatt

Turm

Fundament

Aufbau eines Windrads

Rotorblatt

Turm

Fundament

Aufbau eines Windrads

Rotorblatt

Turm

Fundament

Jetzt weißt du wie ein Windrad aufgebaut ist. Jetzt bleibt nur noch die Frage, wie die Stromumwandlung funktioniert. Schaue dir das Erklärvideo auf der nächsten Folie an!

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Durch die Drehbewegung der Rotorblätter wird die Windenergie im Generator zu Strom umgewandelt. Die Funktionsweise ist ähnlich wie bei einem Fahrraddynamo. Der Dynamo wandelt die Drehbewegung der Räder in Strom für die Lampen am Fahrrad um.

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Windenergie ist sehr umweltfreundlich und kann viele Haushalte mit sauberem Strom versorgen. Es gibt jedoch auch einige Herausforderungen bei der Stromproduktion mit Windkraftwerken.

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Infomiere dich genauer über die Herausforderung für die Energieerzeugung mithilfe von Windkraft.

Windrichtungsänderungen

Lärmbelastung

zu schwacher/kein Wind

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Experiment: Einfluss der Windrichtung auf die Stromerzeugung

Die Richtung, aus der der Wind kommt und auf die Rotorblätter trifft, hat einen großen Einfluss auf die Effektivität der Stromerzeugung. Was genau passiert, wenn sich der Auftreffwinkel ändert, findet ihr in einem Experiment heraus.

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Das Experiment machst du gemeinsam mit den anderen Gruppenmitgliedern an deinem Tisch.Bitte warte auf sie, bevor du mit dem Experiment startest.

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Experiment: Einfluss der Windrichtung auf die Stromerzeugung

Hinweis: Befolgt die Anweisungen genau. Die findet ihr auf den folgenden Folien. Lest sie euch aufmerksam durch, bevor ihr startet. Wenn ihr Fragen habt oder etwas unklar ist, meldet euch sofort bei eurer Betreuungsperson!

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Experiment: Einfluss der Windrichtung auf die Stromerzeugung

Wichtig:
  • lange Haare zusammenbinden
  • Wenn das Windrad sich dreht, das Windrad und die Bauteile nicht anfassen. Schalte den Strom immer zuerst ab, bevor du die Bauteile anfasst.
  • Ergebnisse im Beobachtungsprotokoll mitnotieren.

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AUFBAU:
Nehmt die Bauteile aus der Kiste heraus und baut den Versuch wie abgebildet auf. Steckt das Netzteil aber noch NICHT in die Steckdose!

Protokoll + Stift

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KONTROLLE:
Lasst den Versuchsaufbau von einer Betreuungsperson überprüfen. Wenn alles passt, kann es nun losgehen.

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DURCHFÜHRUNG:

1. Dreht das Windrad so zum Ventilator, dass der kleinePfeil auf 0° zeigt: Der Wind trifft nun frontal auf das Windrad. 2. Steckt das Netzteil in die Steckdose. 3. Schaltet den Ventilator am Schalter auf der Seite an.

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DURCHFÜHRUNG:

4. Stelle am Powermodul eine Spannung von 12 Volt (V) ein. 5. Schaltet jetzt das Powermodul ein. 6. Nach 10-15 Sekunden könnt ihr den Spannungswert am Spannungsmessgerät ablesen und in das Beobachtungsprotokoll eintragen.

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DURCHFÜHRUNG:

7. Nachdem ihr den ersten Wert eingetragen habt:

  • Spannung auf 3 Volt herunterfahren, Powermodul ausschalten und den nächsten Winkel (siehe Protokoll) einstellen.
  • Danach Powermodul wieder anschalten und die Spannung auf 12 Volt erhöhen.
Führt dies für alle Winkel auf dem Beobachtungsprotokoll durch.

Wichtig: Nach jeder Messung Spannung herunterfahren und Powermodul ausschalten!

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ERGEBNIS:

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ERGEBNIS:

Ihr habt bestimmt Folgendes bemerkt:

Je nachdem, in welchem Winkel der Wind auf die Nabe/Rotorblätter trifft, dreht sich das Windrad unterschiedlich schnell und der Generator erzeugt unterschiedlich viel Strom!

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ANWENDUNG IN DER PRAXIS:

Ähnlich wie bei dem kleinen Modellwindrad im Experiment lässt sich bei einigen "echten" Windrädern die Nabe mit den Rotorblättern drehen. So kann das Windrad immer in die Richtung ausgerichtet werden, aus welcher der Wind gerade kommt. Woher der Wind kommt, ermitteln die Sensor auf dem Windrad.

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Ihr seid schon fertig mit dem Experiment? Testet euer Wissen mit einem Quiz zu den Themen Energie und Windkraft.

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Du hast den Programmbaustein Windkraft erfolgreich abgeschlossen, herzlichen Glückwunsch! Jetzt hast du einen groben Überblick über verschiedene Energiearten und weißt, wie man mithilfe von Wind Strom erzeugen kann. Du hast noch etwas Zeit? Dann teste deine Knobelfähigkeiten mit unserer Mathe-Knobelbox! Frage dazu eine Betreuungsperson.

Inhaltsverzeichnis

Klicke da, wo du hin willst:

Einstieg

Energieträger

Abschluss-quiz

Umweltschäden durch CO2

Windenergie/ Windrad

Experiment

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Erneuerbare Energieträger

Energiequellen aus der Natur, die immer wieder nachwachsen oder nicht verbraucht werden können, also unendlich vorhanden sind. Sie erzeugen kaum CO2, sind umweltfreundlich und gelten deshalb als saubere Energiequelle.

Nachteile

  • nicht immer verfügbar (oft wetterabhängig)
  • bislang teurer als andere Energiearten
  • extrem standortabhängig (nicht überall verfügbar)

Lärmbelastung

Bei hohen Windgeschwindigkeiten können Windräder laute Geräusche erzeugen. Vor allem in unmittelbarer Nähe zum Windrad kann es sehr laut werden. Das kann Anwohner und Tiere stören.

Gesamtenergiebedarf

"Insgesamt entwickelte sich der Anteil der erneuerbaren Energien in den vergangenen Jahren positiv. Dabei gibt es jedoch große Unterschiede zwischen den einzelnen Sektoren: Während sich der Anteil der erneuerbaren Energien am Bruttostromverbrauch in den letzten 10 Jahren fast verdoppelte und im Jahr 2024 bereits bei 54,1 Prozent lag, verändern sich die Anteile in den Bereichen Wärme (17,8 Prozent) und Verkehr (7,3 Prozent) vergleichsweise langsam. Beide Bereiche müssen zukünftig stärker in den Fokus rücken, um die Energie- und Klimaziele zu erreichen." (Umwelt Bundesamt)

kosmische Strahlung

Die kosmische Strahlung wird auch Höhenstrahlung genannt. Das ist eine sehr energie-reiche Strahlung aus dem Weltraum, die zum großen Teil in den oberen Schichten der Erdatmosphäre absorbiert wird.Es gibt zwei Arten kosmischer Strahlung: Die primäre kosmische Strahlung trifft aus allen Richtungen auf die Erdatmosphäre. Die sekundäre kosmische Strahlung entsteht durch Wechselwirkungen der primären Strahlungskomponenten mit Luftmolekülen.

Fossile Energieträger

Sie sind vor vielen Millionen Jahren aus toten Pflanzen und Tieren entstanden (--> fossil), die tief in der Erde unter Druck und Hitze zu wertvollen Rohstoffen wurden. Wenn wir sie heute verbrennen (z.B. in Kraftwerken) erhalten wir die darin gespeicherte Energie.

Nachteile

  • fossile Energieträger sind knapp (nicht unendlich vorhanden)
  • hoher CO2-Ausstoß beim Verbrennen (umweltschädlich)

Hey, du hast mich gefunden!Hier wirst du in der Regel mehr Infos zu einem Thema finden.

Über das Kreuz oben in der Ecke kannst mich wieder schließen.

Eine Kurbeltaschenlampe ist eine Taschenlampe, bei der man eine Kurbel ausklappen kann. Daran wird mit der Hand gedreht und die Lampe leuchtet.

zu schwacher/kein Wind

Ob und wie viel Energie ein Windrad umwandeln kann, hängt stark von den Wetterverhältnissen und der Windstärke ab.

Kernenergie

Bei der Spaltung von bestimmten Atomkernen wird in sogenannten Brennstäben sehr viel Wärmeenergie frei. Atome sind die kleinsten existierenden Teilchen aus denen alles besteht. Der Rauch den man bei Kernkraftwerken sieht ist kein klimaschädliches CO2, sondern Wasserdampf, der beim Abkühlen der Brennstäbe entsteht.

Nachteile

  • giftiger, radioaktiver Atommüll
  • Bei Unfällen: Austritt von radioaktiver Strahlung
  • Bei Austritt von Strahlung: Krankheiten, Fehlbildungen

Windrichtung

Die Windrichtung hat einen großen Einfluss auf die Stromproduktion. Wie genau sich verschiedene Windrichtungen und Auftreffwinkel auf die Energieumwandlung auswirken, werdet ihr später in einem Experiment erfahren.

Lärmbelastung

Bei hohen Windgeschwindigkeiten können Windräder laute Geräusche erzeugen. Vor allem in unmittelbarer Nähe zum Windrad kann es sehr laut werden. Das kann Anwohner und Tiere stören.