T9 G - Primärenergie und Nutzenergie

Zielgruppe: Klasse 9, G-Niveau, Technik in Baden-Württemberg

Leitfrage: Wie kommt Energie vom Energieträger bis zu dem Nutzen, den Du im Alltag wirklich brauchst?

Prüfungsziel: Du kannst eine Energiekette in die richtige Reihenfolge bringen und Primärenergieträger, Energieumwandlung, Nutzenergie und Verlust richtig zuordnen.

Einleitung

Energie wird in technischen Systemen nicht einfach „gemacht“. Sie wird umgewandelt.

Ein Beispiel: Kohle enthält chemische Energie. Im Kraftwerk wird daraus über mehrere Schritte elektrische Energie. In einer Lampe wird daraus vor allem Licht.

Merksatz: Am Anfang steht ein Primärenergieträger oder eine Primärenergiequelle. Am Ende steht die gewünschte Nutzenergie. Dazwischen liegen Energieumwandlungen.

Die vier wichtigsten Fachbegriffe

Fachbegriff	Kurz erklärt	Beispiel
Primärenergieträger	Energie aus der Natur vor der technischen Umwandlung	Kohle, Erdgas, Biomasse; außerdem Primärenergiequellen wie Sonne, Wind und Wasser
Energieumwandlung	Energie wechselt ihre Form	chemische Energie → Wärmeenergie
Nutzenergie	Die Energieform, die wir für einen bestimmten Zweck wollen	Licht einer Lampe, Wärme eines Wasserkochers, Bewegung eines Ventilators
Verlust	Energieanteil, der für den gewünschten Zweck nicht nutzbar ist	unerwünschte Wärme oder Schall

Wichtig: Energie verschwindet nicht. Beim „Verlust“ wird sie meist in weniger gut nutzbare Wärme oder Schall umgewandelt.

Das Grundbild einer Energiekette

Primärenergieträger / Primärenergiequelle	→	Energieumwandlung	→	elektrische, mechanische oder thermische Energie	→	Gerät	→	Nutzenergie	+	Verlust

Prüfungstipp: Beginne immer links mit der Energiequelle. Ende rechts mit dem gewünschten Nutzen.

Energiefluss erkennen: Kohlekraftwerk

Beobachten: Finde im Bild den Weg vom Brennstoff über Dampf und Turbine bis zum Generator.

Markieren: Notiere auf einem Blatt drei Bauteile, an denen eine Energieumwandlung stattfindet.

Energiekette:

Kohle	→	Verbrennung im Kessel	→	heißer Dampf	→	Turbine dreht sich	→	Generator	→	elektrische Energie

Energieformen: chemische Energie → thermische Energie → mechanische Energie → elektrische Energie

Verluste: Wärme an die Umgebung, Reibung, Schall.

Videoauftrag: Stoppe die Animation an drei Stellen. Benenne jeweils den Energieträger oder die Energieform vor und nach der Umwandlung.

Energiefluss erkennen: Windkraftanlage

Beobachten: Suche Rotor und Generator.

Vergleichen: Anders als im Kohlekraftwerk muss kein Brennstoff verbrannt werden.

Energiekette:

Wind	→	Rotor	→	Drehbewegung	→	Generator	→	elektrische Energie

Energieformen: Bewegungsenergie des Windes → mechanische Energie → elektrische Energie

Verluste: Reibung, Schall, Wärme.

Fehler finden: Eine Schülerin sagt: „Der Rotor erzeugt direkt Strom.“ Erkläre den Fehler mit dem Generator.

Energiefluss erkennen: Wasserkraftwerk

Beobachten: Verfolge im Bild den Weg des Wassers.

Energiekette:

Wasser in höherer Lage	→	strömendes Wasser	→	Turbine	→	Generator	→	elektrische Energie

Energieformen: Lageenergie → Bewegungsenergie → mechanische Energie → elektrische Energie

Verluste: Reibung, Verwirbelungen, Wärme und Schall.

Vergleichen: Was haben Windkraftwerk und Wasserkraftwerk gemeinsam? Suche jeweils die beiden Bauteile, die sich drehen.

Energiefluss erkennen: Photovoltaik

Besonderheit: Eine Solarzelle braucht keine Turbine und keinen Generator.

Energiekette:

Sonnenstrahlung	→	Solarzelle	→	elektrische Energie	→	elektrisches Gerät	→	Nutzenergie

Vergleichen: Bei Wind und Wasser dreht sich ein Generator. Bei Photovoltaik wird Strahlungsenergie direkt in elektrische Energie umgewandelt.

Videoauftrag: Achte darauf, ob Strom oder Wärme erzeugt wird. Ordne Photovoltaik und Solarthermie richtig zu.

Mehrere Energiequellen im Vergleich

Primärenergieträger oder Quelle	erste Energieform	wichtiger Umwandler	mögliche Nutzenergie am Ende
Kohle	chemische Energie	Kessel, Turbine, Generator	Licht, Wärme, Bewegung
Erdgas	chemische Energie	Gasturbine oder Kessel, Generator	Licht, Wärme, Bewegung
Biomasse	chemische Energie	Feuerung, Turbine, Generator	Licht, Wärme, Bewegung
Wind	Bewegungsenergie	Rotor und Generator	Licht, Wärme, Bewegung
Wasser	Lage- und Bewegungsenergie	Turbine und Generator	Licht, Wärme, Bewegung
Sonne	Strahlungsenergie	Solarzelle	Licht, Wärme, Bewegung

Merke: Unterschiedliche Primärenergiequellen können am Ende dieselbe Nutzenergie liefern.

Verluste sichtbar machen

Beobachten: Suche breite Energieströme und Bereiche, in denen Energie nicht für den gewünschten Zweck genutzt wird.

Nicht auswendig lernen: Die Zahlen gehören zu den USA im Jahr 2019. Wichtig ist hier nur die Idee eines Energieflussbildes.

Fachlich wichtig: „Verlust“ bedeutet nicht, dass Energie verschwunden ist. Sie ist nur nicht mehr für den beabsichtigten Zweck nutzbar.

Alltagsgeräte: Wo steckt die Nutzenergie?

Wasserkocher: elektrische Energie → Wärmeenergie im Wasser. Unerwünschte Wärme an die Umgebung ist Verlust.

Föhn: elektrische Energie → Wärme + Bewegungsenergie der Luft. Schall und unerwünschte Erwärmung gehören zu den Verlusten.

Ventilator: elektrische Energie → mechanische Energie → bewegte Luft. Wärme und Schall sind Verluste.

LED-Lampe: elektrische Energie → Licht. Auch eine LED gibt Wärme ab.

Beobachten, markieren, vergleichen

Beobachten: Suche im Kraftwerksbild Kessel, Turbine und Generator.
Markieren: Zeichne auf Papier Pfeile zwischen chemischer, thermischer, mechanischer und elektrischer Energie.
Vergleichen: Finde zwei Gemeinsamkeiten und einen Unterschied zwischen Wind- und Wasserkraftwerk.
Alltagsgeräte: Ordne Wasserkocher, Föhn, Ventilator und LED-Lampe ihrer Nutzenergie zu.
Fehler finden: Prüfe den Satz „Bei jeder Energieumwandlung geht Energie verloren.“ Verbessere ihn fachlich.

Simulieren: Energieformen und Energieumwandlungen

PhET-Simulation: Energieformen und Energieumwandlungen

Simulationsauftrag: Verfolge einen Energiefluss vom Start bis zum Verbraucher. Notiere die Energieformen in der richtigen Reihenfolge.

Selbstkontrolle: Prüfe danach, ob Deine Kette mit einer Quelle beginnt, mindestens eine Umwandlung enthält und mit einer Nutzenergie endet.

Messen: sichere Kleinspannung

Praxis nur nach schulischer Unterweisung, mit Aufsicht und erforderlicher Schutzausrüstung. Keine eigenständige Nutzung gefährlicher Maschinen oder Netzspannung. Elektrische Versuche nur mit freigegebenen Komponenten und sicherer Kleinspannung.

Mögliche Schulstation: freigegebenes Solarmodul, Kleinspannungsmotor oder LED und geeignetes Messgerät.

Messen: Miss unter Aufsicht die Spannung eines freigegebenen Solarmoduls bei unterschiedlicher Beleuchtung.
Vergleichen: Decke unter Anleitung einen Teil des Moduls ab und vergleiche die Messwerte.
Auswerten: Beschreibe den Weg von der Strahlungsenergie bis zur Bewegung eines Kleinspannungsmotors.

Prüfungsnah: Energieketten ergänzen

Aufgabentyp: Bringe vorgegebene Begriffe in die richtige Reihenfolge.

Beispiel Kohlekraftwerk und Lampe:

Kohle	→	Kessel	→	Dampf	→	Turbine	→	Generator	→	elektrische Energie	→	Lampe	→	Licht

Beispiel Windkraft und Ventilator:

Wind	→	Rotor	→	Generator	→	elektrische Energie	→	Ventilator	→	bewegte Luft

Beispiel Sonne und Wasserkocher:

Sonnenstrahlung	→	Solarzelle	→	elektrische Energie	→	Wasserkocher	→	Wärme im Wasser

Hilfe und Lösungsweg für Energieketten

Start: Suche zuerst den Primärenergieträger oder die Primärenergiequelle.
Umwandler: Suche Bauteile wie Kessel, Turbine, Generator oder Solarzelle.
Energieformen: Benenne nach Möglichkeit chemische, thermische, mechanische oder elektrische Energie.
Ziel: Frage am Ende: Was soll das Gerät eigentlich tun?
Verlust: Nenne unerwünschte Wärme, Reibung oder Schall.

Selbstkontrolle: Kannst Du bei Deiner Kette Anfang, Umwandlung, Gerät, Nutzenergie und mindestens einen Verlust nennen?

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Diesen aiMOOC als Battle spielen

Was ist ein Primärenergieträger? (Ein Energieträger aus der Natur vor der technischen Umwandlung) (!Ein elektrisches Haushaltsgerät) (!Eine unerwünschte Energieform) (!Ein Generator)

Was ist Nutzenergie? (Die Energieform, die für den gewünschten Zweck genutzt wird) (!Die gesamte Energie vor jeder Umwandlung) (!Nur Wärmeenergie) (!Nur elektrische Energie)

Was bedeutet Verlust bei einer Energieumwandlung? (Energie wird in für den Zweck nicht nutzbare Formen umgewandelt) (!Energie verschwindet vollständig) (!Energie wird neu erzeugt) (!Energie wird immer zu Licht)

Welche Energieform besitzt Kohle hauptsächlich vor der Verbrennung? (Chemische Energie) (!Bewegungsenergie) (!Elektrische Energie) (!Lichtenergie)

Welches Bauteil wandelt mechanische Drehbewegung in elektrische Energie um? (Generator) (!Kessel) (!Wasserkocher) (!Solarzelle)

Was ist bei einer Photovoltaikanlage besonders? (Sonnenstrahlung wird ohne Turbine direkt in elektrische Energie umgewandelt) (!Kohle wird verbrannt) (!Wasser treibt immer eine Turbine an) (!Ein Verbrennungsmotor erzeugt Licht)

Welche Nutzenergie hat ein Wasserkocher hauptsächlich? (Wärme im Wasser) (!Licht) (!Schall) (!Bewegung eines Fahrzeugs)

Welche Nutzenergie hat ein Ventilator hauptsächlich? (Bewegung der Luft) (!Licht) (!Chemische Energie) (!Lageenergie)

Warum ist Wärme bei einem Elektromotor oft ein Verlust? (Weil sie für die gewünschte Drehbewegung nicht genutzt wird) (!Weil Wärme keine Energie ist) (!Weil ein Motor nur Licht erzeugt) (!Weil elektrische Energie verschwindet)

Welche Reihenfolge passt zu einem Kohlekraftwerk? (Kohle → Kessel → Dampf → Turbine → Generator → elektrische Energie) (!Generator → Kohle → Lampe → Dampf → Turbine → Kessel) (!Dampf → elektrische Energie → Kohle → Generator → Kessel → Turbine) (!Turbine → Sonne → Wasser → Generator → Kohle → Licht)

Memory

Primärenergieträger	Energie vor der technischen Umwandlung
Energieumwandlung	Wechsel von einer Energieform in eine andere
Nutzenergie	gewünschte Energieform am Ende
Verlust	für den Zweck nicht nutzbarer Energieanteil
Generator	wandelt Drehbewegung in elektrische Energie um
Turbine	wird von Dampf, Gas oder Wasser angetrieben
Solarzelle	wandelt Strahlungsenergie direkt in elektrische Energie um

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Energieform am Anfang
Kohle	chemische Energie
Wind	Bewegungsenergie
Stauseewasser	Lageenergie
Sonnenlicht	Strahlungsenergie
Biomasse	chemische Energie

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Rolle in der Energiekette
Kohle	Start als Primärenergieträger
Kessel	erwärmt Wasser und erzeugt Dampf
Dampf	treibt die Turbine an
Turbine	liefert eine Drehbewegung
Generator	erzeugt elektrische Energie
Lampe	liefert Nutzenergie Licht

Kreuzworträtsel

Primärenergie	Wie heißt Energie, die vor der technischen Umwandlung in der Natur bereitsteht?
Nutzenergie	Wie heißt die für einen gewünschten Zweck verwendete Energie?
Generator	Welches Bauteil wandelt Drehbewegung in elektrische Energie um?
Verlust	Wie heißt der für den gewünschten Zweck nicht nutzbare Energieanteil?
Turbine	Welches Bauteil wird in vielen Kraftwerken von Dampf oder Wasser gedreht?
Solarzelle	Welches Bauteil wandelt Sonnenstrahlung direkt in elektrische Energie um?

LearningApps

Lückentext

Ein

steht am Anfang vieler technischer Energieketten. Bei einer

wechselt Energie ihre Form. Kohle besitzt vor der Verbrennung vor allem

Energie. Im Kessel entsteht vor allem

Energie. Eine Turbine liefert eine

Drehbewegung. Der Generator wandelt diese in

Energie um. Die gewünschte Energieform am Ende heißt

. Unerwünschte Wärme oder Schall werden häufig als

bezeichnet. Bei Windkraft wird zuerst die Bewegungsenergie des

genutzt. Eine Solarzelle wandelt die Energie des Sonnenlichts direkt in

Energie um.

Offene Aufgaben

Leicht

Energiekette zeichnen: Zeichne eine einfache Energiekette für eine LED-Lampe. Beginne mit einer Energiequelle und ende mit Licht.
Alltagsgerät untersuchen: Wähle Wasserkocher, Föhn, Ventilator oder Lampe. Nenne Nutzenergie und zwei mögliche Verluste.
Kraftwerksbild markieren: Übertrage das Bild eines Kohle-, Wind- oder Wasserkraftwerks als vereinfachte Skizze und markiere den Generator.
Fehler finden: Verbessere den Satz „Im Generator wird Energie erzeugt.“ Nutze das Wort Energieumwandlung.

Standard

Energiequellen vergleichen: Vergleiche Windkraft und Kohlekraft anhand der Energiekette. Nenne mindestens zwei Unterschiede und eine Gemeinsamkeit.
Videoanalyse: Wähle eine Kraftwerksanimation. Stoppe an vier Stellen und notiere jeweils Bauteil und Energieform.
Sichere Messung: Untersuche unter schulischer Aufsicht mit freigegebenem Solarmodul und sicherer Kleinspannung, wie sich Abschattung auf die gemessene Spannung auswirkt. Dokumentiere die Werte.
Prüfungsaufgabe erstellen: Erstelle selbst eine Energiekette mit sechs vorgegebenen Begriffen, die eine andere Person in die richtige Reihenfolge bringen muss.

Schwer

Technische Entscheidung: Eine Schule möchte eine kleine Gartenbeleuchtung betreiben. Vergleiche Netzversorgung und ein freigegebenes Photovoltaik-Kleinspannungssystem anhand von Energiekette, Nutzenergie, Verlusten und technischem Aufwand.
Fehlerhafte Energiekette korrigieren: Prüfe die Kette „Wind → Generator → Rotor → elektrische Energie → Ventilator → Licht“. Finde alle Fehler und begründe die richtige Reihenfolge.
Energiefluss bewerten: Vergleiche Kohlekraftwerk, Windkraftwerk, Wasserkraftwerk und Photovoltaik. Erkläre, bei welchen Systemen Turbine und Generator nötig sind und wo nicht.
Transfer auf Mobilität: Erstelle eine Energiekette für ein Elektrofahrzeug vom Primärenergieträger oder der Primärenergiequelle bis zur Bewegung des Fahrzeugs. Markiere mindestens zwei Umwandlungen und mögliche Verluste.

Sicherheit für alle Praxisaufgaben: Praxis nur nach schulischer Unterweisung, mit Aufsicht und erforderlicher Schutzausrüstung. Keine eigenständige Nutzung gefährlicher Maschinen oder Netzspannung. Elektrische Versuche nur mit freigegebenen Komponenten und sicherer Kleinspannung.

Lernkontrolle

Transfer Energiekette: Ein Ventilator wird mit Strom aus einer Windkraftanlage betrieben. Stelle die gesamte Energiekette vom Wind bis zur bewegten Raumluft dar und kennzeichne zwei Verluste.
Systemvergleich: Erkläre, warum Windkraftwerk und Wasserkraftwerk trotz verschiedener Primärenergiequellen ähnliche technische Bauteile besitzen.
Fehleranalyse: Eine Energiekette lautet „Sonne → Turbine → Solarzelle → Generator → Licht“. Korrigiere sie für eine Photovoltaikanlage mit LED-Lampe und begründe jede Änderung.
Nutzenergie begründen: Ein Föhn gibt Wärme, bewegte Luft und Schall ab. Entscheide, welche davon Nutzenergie und welche Verlust sein können. Begründe Deine Entscheidung anhand des Verwendungszwecks.
Technische Auswahl: Für eine Messstation im Schulgarten soll ein Kleinspannungsgerät versorgt werden. Vergleiche Photovoltaik und eine Versorgung aus dem Stromnetz anhand der Energiekette und nenne technische Vor- und Nachteile, ohne eine pauschale Lösung vorzugeben.
Energieerhaltung erklären: Erkläre mit einem Alltagsgerät, warum der Begriff Verlust nicht bedeutet, dass Energie verschwindet.

Lernnachweis

Für Deinen Lernnachweis solltest Du zeigen können:

Primärenergieträger: Du kannst mehrere Primärenergieträger oder Primärenergiequellen nennen.
Energieumwandlung: Du kannst mindestens drei aufeinanderfolgende Energieumwandlungen beschreiben.
Nutzenergie: Du kannst die gewünschte Nutzenergie eines Alltagsgeräts bestimmen.
Verlust: Du kannst unerwünschte Energieformen nennen und erklären.
Generator: Du kannst die Rolle des Generators in Wind-, Wasser- und Wärmekraftwerken beschreiben.
Photovoltaik: Du kannst erklären, warum eine Solarzelle ohne Turbine Strom bereitstellen kann.
Energiekette: Du kannst eine prüfungsnahe Energiekette in die richtige Reihenfolge bringen.
Technische Entscheidung: Du kannst zwei technische Lösungen anhand ihrer Energieflüsse vergleichen und Deine Entscheidung fachlich begründen.