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T9 M - Energieumwandlungsketten untersuchen

Klasse 9 · Technik · M-Niveau · Baden-Württemberg

Kernfrage: Wie fließt Energie durch ein technisches System, wo wird sie umgewandelt und welche Stufen sind wirklich nötig?

Einleitung

Technische Systeme wandeln und übertragen Energie. Du untersuchst kurze und mehrstufige Ketten, liest Energieflussbilder und begründest technische Entscheidungen.

Fachbegriff	Kurz erklärt
Energiewandlung	Eine Energieform wird in eine andere Energieform umgewandelt.
Energieübertragung	Energie gelangt von einem System oder Bauteil zu einem anderen.
Wirkungsgrad	Anteil der zugeführten Energie, der für das gewünschte Ziel nutzbar wird.
Verlustenergie	Energie, die für das gewünschte Ziel nicht nutzbar ist, oft als thermische Energie oder Schall.

Wichtig: Energie verschwindet nicht. „Verlustenergie“ bedeutet nur: Für das betrachtete Ziel ist dieser Anteil nicht mehr nutzbar.

Bildungsplanbezug Baden-Württemberg

Der Kurs knüpft an das Wahlpflichtfach Technik in Klasse 7/8/9 an: technische Informationen aus Diagrammen und Fließbildern entnehmen, technische Systeme analysieren, Energieversorgung beschreiben, Systeme vergleichen und Sicherheitsregeln beachten. Im M-Niveau wird unter anderem das Beschreiben von Bereitstellung und Verteilung von Energie sowie das Erläutern ausgewählter Energieversorgungssysteme verlangt.

Bildungsplan Technik 7/8/9 – Versorgung und Entsorgung

Sicherheit zuerst

Praxis nur nach schulischer Unterweisung, mit Aufsicht und erforderlicher Schutzausrüstung. Keine eigenständige Nutzung gefährlicher Maschinen. Keine Arbeiten an Netzspannung. Elektrische Versuche nur mit freigegebenen Komponenten und sicherer Kleinspannung. Messgeräte und Versuchsaufbauten nur so verwenden, wie es die Lehrkraft vorgibt.

Energiefluss lesen

Grundmuster:

Energiequelle → Übertragung → Wandler → gewünschte Wirkung
                              ↘ Verlustenergie

Beispiel Elektromotor:

100 J elektrische Energie ██████████▶ [Motor] ████████▶ 80 J Bewegungsenergie
                                         └──██▶ 20 J Wärme + Schall

Bildlegende: Die Balken zeigen die Idee eines Sankey-Diagramms: Breitere Ströme stehen für größere Energiemengen.

Medienauftrag – beobachten und markieren: Suche Eingang, Hauptstrom und Abzweigungen. Markiere auf einer eigenen Skizze, wo Energie das System verlässt. Prüfe, ob die Pfeilbreiten zu den angegebenen Mengen passen.

Wirkungsgradidee

$η = \frac{E_{nutz}}{E_{zugeführt}}$

Beispiel: 100 J hinein, 80 J nutzbar → $η = 0,80 = 80 %$ .

100 J ██████████▶ [Wandler] ████████▶ 80 J Nutzenergie
                       └────██▶ 20 J Verlustenergie

Merksatz: Ein Wirkungsgrad von 80 % bedeutet nicht, dass 20 % Energie verschwinden. Diese 20 % sind für das betrachtete Ziel nicht nutzbar.

Medienauftrag – vergleichen: Vergleiche Hauptpfeil und Verlustpfeil. Formuliere einen Satz mit den Wörtern zugeführt, nutzbar und Verlustenergie.

Mehrere Umwandlungsstufen

Bei mehreren Stufen wird die nutzbare Energie nach jeder Stufe kleiner, sofern jeder Einzelwirkungsgrad kleiner als 100 % ist.

100 J → [Stufe 1: η=90 %] → 90 J → [Stufe 2: η=80 %] → 72 J Nutzenergie
          ↘ 10 J Verlust               ↘ 18 J Verlust

Gesamtwirkungsgrad:

$η_{gesamt} = η_{1} \cdot η_{2} = 0,90 \cdot 0,80 = 0,72 = 72 %$

Energiebilanz: 100 J = 72 J Nutzenergie + 28 J Verlustenergie.

Drei Stufen untersuchen

100 J → [90 %] → 90 J → [80 %] → 72 J → [75 %] → 54 J
          ↘10 J          ↘18 J          ↘18 J

$η_{gesamt} = 0,90 \cdot 0,80 \cdot 0,75 = 0,54 = 54 %$

Prüfgedanke: Jede zusätzliche Umwandlungsstufe braucht einen technischen Grund. Mehr Stufen können sinnvoll sein, etwa für Speicherung, Regelung, Anpassung oder Sicherheit. Ohne Zusatzfunktion können sie unnötige Verluste verursachen.

Simulation ohne Hardware

Fall	Stufe 1	Stufe 2	Stufe 3	Gesamtwirkungsgrad
A	90 %	80 %	–	72 %
B	90 %	80 %	75 %	54 %
C	95 %	90 %	90 %	76,95 %

Simuliere: Ändere in einem Tabellenblatt einen Einzelwirkungsgrad. Beobachte, wie sich das Produkt verändert. Markiere die Stufe, bei der eine Verbesserung den größten Effekt auf die gesamte Kette hätte.

Hilfe anzeigen: Multipliziere die Wirkungsgrade als Dezimalzahlen. Beispiel: 90 % = 0,90.

Medienlabor: Energieumwandlungen aktiv untersuchen

Animation 1: Elektromotor

Beobachten: Welche Bewegung siehst Du?

Markieren: Zeichne daneben den Energiefluss: elektrische Energie → Bewegungsenergie. Ergänze Wärme und Schall als Verlustenergie.

Fehler finden: „Der Motor erzeugt Bewegungsenergie aus dem Nichts.“ Korrigiere den Satz.

Lösung: Der Motor wandelt zugeführte elektrische Energie in Bewegungsenergie und weitere Energieformen um.

Animation 2: Generator

Vergleichen: Stelle die Animation dem Elektromotor gegenüber.

Motor:      elektrische Energie → Bewegungsenergie
Generator:  Bewegungsenergie    → elektrische Energie

Transfer: Ein Bauteil kann je nach Funktion Teil sehr unterschiedlicher Energieumwandlungsketten sein.

Animation 3: Windenergie

Untersuchen: Verfolge die Kette:

Bewegungsenergie des Windes → Drehbewegung des Rotors → Generator → elektrische Energie

Markieren: Kennzeichne jede Stelle, an der eine Übertragung stattfindet. Kreise die Stelle ein, an der elektrische Energie entsteht.

Messen: Bei einem vorbereiteten Schulversuch darfst Du nur nach Anweisung Messwerte an freigegebenen Kleinspannungs-Komponenten erfassen. Keine Arbeiten an Netzspannung.

Animation 4: Photovoltaik

Vergleichen: Bei der Solarzelle ist keine mechanische Zwischenstufe nötig.

Strahlungsenergie → Solarzelle → elektrische Energie

Fehler finden: „Jede Stromerzeugung braucht zuerst eine Drehbewegung.“ Nutze die Animation als Gegenbeispiel.

Sankey-Medium: Leuchtstofflampe

Lesen: Suche den größten Energiestrom und die Verlustanteile.

Vergleichen: Welche Energieanteile erfüllen das Beleuchtungsziel, welche nicht?

Hinweis: Beurteile immer das angegebene Systemziel. Wärme kann in einem anderen technischen System Nutzenergie sein.

Video: Wirkungsgrad und mehrstufige Umwandlungen

Aktiver Auftrag: Stoppe besonders beim Abschnitt zu mehrstufigen Umwandlungen. Zeichne eine Kette mit mindestens drei Stufen und notiere an jeder Stufe den Einzelwirkungsgrad.

Video: Sankey und Wirkungsgrad

Aktiver Auftrag: Suche im Video ein Beispiel für Nutzenergie und Verlustenergie. Prüfe anschließend mit der Formel, ob der dargestellte Wirkungsgrad zur Energiebilanz passt.

Rechtehinweis zu den Medien

Die eingebundenen Grafiken und Animationen stammen von Wikimedia Commons. Die jeweilige Dateiseite nennt Urheber, Quelle und freie Lizenz beziehungsweise Public-Domain-Status. Die YouTube-Videos werden als Originalstream eingebettet; es wird keine Videokopie verteilt. Für die schulische Nutzung gelten zusätzlich die Vorgaben der Schule und des Schulträgers.

Zwei technische Systeme vergleichen

Ziel: Aus einem Akku soll eine Drehbewegung entstehen. Beide Systeme erhalten im Modell 100 J.

System A: kurze Kette	System B: zusätzliche Umwandlungen
Akku → Motorsteuerung 95 % → Elektromotor 80 % → Bewegung	Akku → Motor 1 80 % → Generator 85 % → Motorsteuerung 95 % → Motor 2 80 % → Bewegung
$η_{A} = 0,95 \cdot 0,80 = 76 %$	$η_{B} = 0,80 \cdot 0,85 \cdot 0,95 \cdot 0,80 \approx 52 %$
etwa 76 J Nutzenergie	etwa 52 J Nutzenergie

Technische Entscheidung im gegebenen Modell: Wenn beide Systeme nur dieselbe Drehbewegung bereitstellen sollen und die Zusatzstufen keine weitere Funktion haben, ist die Motor-Generator-Zwischenstufe unnötig. Sie verringert den Gesamtwirkungsgrad.

Aber: Eine zusätzliche Stufe kann technisch sinnvoll sein, wenn sie eine notwendige Funktion erfüllt, zum Beispiel Regelung, Speicherung, Anpassung, Trennung oder Sicherheit.

Entscheidungsregel

1. Systemziel klären
2. Energiefluss von links nach rechts verfolgen
3. Jede Umwandlungsstufe benennen
4. Verluste und Wirkungsgrade prüfen
5. Zusatzfunktion jeder Stufe fragen
6. Nur dann eine Stufe als unnötig beurteilen

Prüfungsnah üben

Aufgabe A: Energieflussbild interpretieren

100 J → [Wandler A] → 90 J → [Wandler B] → 72 J Nutzenergie
          ↘ 10 J                ↘ 18 J

Nenne die zugeführte Energie.
Bestimme die gesamte Verlustenergie.
Bestimme den Gesamtwirkungsgrad.
Erkläre, warum trotz „Verlusten“ Energie erhalten bleibt.

Lösungsweg: Zugeführt: 100 J. Verlust: 10 J + 18 J = 28 J. Nutzbar: 72 J. Wirkungsgrad: 72 J / 100 J = 72 %. Die Verlustenergie ist nicht verschwunden, sondern liegt in anderen, für das Ziel nicht nutzbaren Energieformen vor.

Aufgabe B: Unnötige Stufen erkennen

System 1: Akku → Motorsteuerung → Motor → Drehbewegung
System 2: Akku → Motor → Generator → Motorsteuerung → Motor → Drehbewegung

Markiere in System 2 die zusätzliche Umwandlungskette.
Begründe, wann sie unnötig ist.
Nenne einen Fall, in dem eine zusätzliche Stufe trotzdem sinnvoll sein kann.

Lösungsweg: Motor → Generator ist im Modell eine Zusatzkette. Sie ist unnötig, wenn sie keine weitere technische Funktion erfüllt. Eine Zusatzstufe kann zum Beispiel für Regelung, Speicherung, Anpassung oder Sicherheit nötig sein.

Aufgabe C: Fehlerdiagnose

Eine Person sagt: „Bei drei Stufen mit 90 %, 80 % und 75 % Wirkungsgrad sind insgesamt 245 % wirksam, weil man die Prozentwerte addiert.“

Fehler finden: Berechne richtig und erkläre den Denkfehler.

Lösung: Wirkungsgrade werden bei hintereinandergeschalteten Stufen multipliziert: 0,90 · 0,80 · 0,75 = 0,54 = 54 %. Prozentwerte von nacheinander folgenden Stufen werden nicht addiert.

60-Sekunden-Wiederholung

Frage	Selbstcheck
Ändert sich die Energieform?	Dann liegt eine Energiewandlung vor.
Wechselt Energie nur den Ort oder das Bauteil?	Dann steht die Energieübertragung im Vordergrund.
Wie viel ist für das Ziel nutzbar?	Wirkungsgrad prüfen.
Wo zweigt Energie ab?	Verlustenergie kennzeichnen.
Warum gibt es eine zusätzliche Stufe?	Zusatzfunktion nennen oder Stufe kritisch prüfen.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Diesen aiMOOC als Battle spielen

Was beschreibt eine Energiewandlung? (Eine Energieform wird in eine andere Energieform umgewandelt) (!Energie verschwindet vollständig) (!Nur der Ort eines Bauteils ändert sich) (!Ein Wirkungsgrad wird addiert)

Was steht bei einer Energieübertragung im Vordergrund? (Energie gelangt von einem System oder Bauteil zu einem anderen) (!Energie wird aus dem Nichts erzeugt) (!Jede Energie wird zu Licht) (!Verlustenergie wird gelöscht)

Was bedeutet Verlustenergie im Energieflussbild? (Energie ist für das gewünschte Ziel nicht nutzbar) (!Energie existiert nicht mehr) (!Energie wurde falsch gemessen und zählt nicht) (!Energie ist immer elektrische Energie)

Was zeigt die Pfeilbreite in einem Sankey-Diagramm? (Die Größe des dargestellten Energiestroms) (!Die Farbe des Geräts) (!Die Länge der Versuchsdauer) (!Die Anzahl der Bauteile)

Wie wird die Wirkungsgradidee beschrieben? (Nutzbare Energie geteilt durch zugeführte Energie) (!Verlustenergie plus zugeführte Energie) (!Zugeführte Energie geteilt durch null) (!Anzahl der Stufen geteilt durch Zeit)

Zwei Stufen haben 90 Prozent und 80 Prozent Wirkungsgrad. Wie groß ist der Gesamtwirkungsgrad? (72 Prozent) (!170 Prozent) (!85 Prozent) (!10 Prozent)

100 Joule werden zugeführt und 80 Joule sind nutzbar. Wie groß ist die Verlustenergie? (20 Joule) (!80 Joule) (!100 Joule) (!180 Joule)

Was gilt für eine zusätzliche Umwandlungsstufe mit einem Wirkungsgrad unter 100 Prozent? (Sie senkt den Gesamtwirkungsgrad, wenn sonst alles gleich bleibt) (!Sie erhöht den Gesamtwirkungsgrad immer auf über 100 Prozent) (!Sie lässt Energie verschwinden) (!Sie hat niemals technische Funktionen)

Welche Kette passt zu einem Elektromotor? (Elektrische Energie wird in Bewegungsenergie und weitere Energieformen umgewandelt) (!Bewegungsenergie wird ausschließlich in chemische Energie umgewandelt) (!Lichtenergie wird ohne Bauteil zu Lageenergie) (!Schallenergie wird vollständig gelöscht)

Ein System erhält 100 Joule und liefert 60 Joule Nutzenergie. Welcher Wirkungsgrad passt? (60 Prozent) (!40 Prozent) (!160 Prozent) (!6 Prozent)

Memory

Energiewandlung	Energieform ändert sich
Energieübertragung	Energie gelangt zu einem anderen System
Wirkungsgrad	Anteil der nutzbaren Energie
Verlustenergie	für das Ziel nicht nutzbarer Anteil
Sankey-Diagramm	Pfeilbreite zeigt Energiemenge
Gesamtwirkungsgrad	Produkt der Einzelwirkungsgrade

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Bedeutung
Nutzenergie	erfüllt das gewünschte Systemziel
Verlustenergie	ist für das gewünschte Systemziel nicht nutzbar
Umwandlungsstufe	verändert die Energieform
Energieübertragung	bringt Energie von einem Teil zum nächsten
Gesamtwirkungsgrad	verbindet die Einzelwirkungsgrade einer Kette

Kreuzworträtsel

Sankey	Welcher Diagrammtyp stellt Energiemengen durch unterschiedlich breite Pfeile dar?
Motor	Welcher Wandler macht aus elektrischer Energie vor allem Bewegung?
Generator	Welcher Wandler macht aus Bewegung elektrische Energie?
Wirkungsgrad	Wie heißt das Verhältnis von Nutzenergie zu zugeführter Energie?
Verlustenergie	Wie heißt Energie, die für das Systemziel nicht nutzbar ist?
Übertragung	Wie heißt der Vorgang, wenn Energie zu einem anderen Systemteil gelangt?

LearningApps

Lückentext

Bei einer

ändert sich die Energieform.

Bei einer

gelangt Energie zu einem anderen System oder Bauteil.

Der

vergleicht nutzbare und zugeführte Energie.

Für das Ziel nicht nutzbare Energie heißt

.

In einem Sankey-Diagramm zeigt die

die Größe des Energiestroms.

Bei mehreren Stufen werden die Einzelwirkungsgrade

.

Eine zusätzliche Stufe ist nur dann eindeutig unnötig, wenn sie keine erforderliche

erfüllt.

Ein Elektromotor wandelt elektrische Energie vor allem in

um.

Ein Generator wandelt Bewegungsenergie in

Energie um.

Energie bleibt erhalten und wird nicht einfach

.

Offene Aufgaben

Leicht

Energiefluss markieren: Fotografiere oder skizziere ein ungefährliches Alltagsgerät und zeichne Quelle, Übertragung, Wandler, Nutzenergie und Verlustenergie ein.
Sankey-Skizze: Erstelle aus 100 J Eingangsenergie eine Sankey-ähnliche Skizze mit 70 J Nutzenergie und 30 J Verlustenergie.
Animationsanalyse: Wähle eine der eingebundenen Commons-Animationen und beschreibe in drei Fachsätzen die sichtbare Energieumwandlung.
Fehlersuche: Formuliere zwei falsche Aussagen zu Wirkungsgrad oder Verlustenergie und korrigiere sie anschließend fachlich.

Standard

Mehrstufige Kette: Entwirf eine Energieumwandlungskette mit drei Stufen, wähle plausible Modellwirkungsgrade und berechne den Gesamtwirkungsgrad.
Systemvergleich: Vergleiche zwei Wege zum gleichen technischen Ziel anhand der Kriterien Anzahl der Umwandlungsstufen, Nutzenergie und notwendige Zusatzfunktionen.
Messdaten auswerten: Werte von der Lehrkraft bereitgestellte Messdaten eines sicheren Kleinspannungsversuchs aus und erstelle daraus ein Energieflussbild.
Video prüfen: Nutze eines der eingebundenen Videos, notiere drei Aussagen und überprüfe sie mit Fachbegriffen und einer eigenen Rechnung.

Schwer

Technische Optimierung: Überarbeite eine vorgegebene Kette so, dass eine unnötige Umwandlungsstufe entfällt, und begründe den technischen Vorteil.
Sicherheitsanalyse: Entwickle für einen vorbereiteten schulischen Kleinspannungsversuch eine kurze Checkliste zu Aufsicht, Schutzausrüstung, freigegebenen Komponenten und Messung.
Sankey aus Daten: Erstelle aus mindestens vier vorgegebenen Energieanteilen ein maßstäblich nachvollziehbares Sankey-ähnliches Diagramm und kontrolliere die Energiebilanz.
Transferaufgabe: Untersuche ein technisches System aus Schule oder Haushalt. Entscheide, welche Umwandlungsstufen notwendig sind und welche nur dann sinnvoll wären, wenn sie eine zusätzliche Funktion erfüllen.

Lernkontrolle

Energieflussbild interpretieren: Ein unbekanntes System zeigt 120 J Eingangsenergie, 84 J Nutzenergie und zwei Verlustzweige. Bestimme den Wirkungsgrad und erkläre, was die Verlustzweige technisch bedeuten.
Systementscheidung begründen: Zwei Systeme erfüllen dasselbe Ziel. System A besitzt zwei, System B vier Umwandlungsstufen. Entwickle Kriterien, mit denen Du entscheidest, ob die zwei zusätzlichen Stufen gerechtfertigt sind.
Fehlerhafte Kette verbessern: In einer Kette wird elektrische Energie zuerst in Bewegung, dann wieder in elektrische Energie und anschließend erneut in Bewegung umgewandelt. Beurteile die Zwischenstufen unter der Annahme, dass sie keine Zusatzfunktion erfüllen.
Wirkungsgrad übertragen: Ein Gerät wird durch ein Modell mit drei Einzelwirkungsgraden beschrieben. Erkläre, warum eine schlechte Einzelstufe den Gesamtwirkungsgrad stark begrenzen kann.
Systemgrenze reflektieren: Eine warme Abluft wird in System A als Verlustenergie, in System B aber zum Heizen genutzt. Erkläre, warum dieselbe Energie je nach Systemziel unterschiedlich bewertet werden kann.
Sichere Untersuchung planen: Plane eine Auswertung mit bereitgestellten Messdaten oder einer digitalen Simulation, mit der sich Energiefluss und Wirkungsgrad untersuchen lassen, ohne gefährliche Maschinen oder Netzspannung zu verwenden.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:

Energiewandlung und Energieübertragung sicher unterscheiden kannst.
Energieflussbilder und Sankey-Diagramme lesen und beschriften kannst.
Nutzenergie und Verlustenergie fachlich korrekt deutest.
den Wirkungsgrad einer Stufe und den Gesamtwirkungsgrad mehrerer Stufen bestimmen kannst.
zwei technische Systeme anhand nachvollziehbarer Kriterien vergleichen kannst.
unnötige Umwandlungsstufen nur dann benennst, wenn keine notwendige Zusatzfunktion vorliegt.
Sicherheitsregeln bei schulischen Technikversuchen beachtest und begründen kannst.