bremen - DGZfP

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bremen - DGZfP

DEUTSCHE
GESELLSCHAFT FÜR
ZERSTÖRUNGSFREIE
PRÜFUNG E.V.
ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Landeswettbewerb Jugend forscht
BREMEN
Das Energiehaus mit der
neuen Turbinenrohrtechnik
Leon Krex
Schule:
Alexander von Humboldt Gymnasium
Jugend forscht 2012
jugend forscht Landeswettbewerb Bremen
2012
Das Energiehaus mit der
neuen Turbinenrohrtechnik
Leon
Version 9.0 | 1. Projekteinleitung
Leon Krex ID: 4018:113979
0
Krex
Version 9.0
15.01.2012
Kurzfassung
Landeswettbewerb Bremen
Projektziel:
Das Ziel ist es, ein Modellhaus zu bauen, das regernative und neue Energiequellen nutzt.
Projektbeschreibung:
Das Energiehaus ist mit der neuen „Turbinenrohrtechnik“ und den regenerativen Energiequellen
(Solartechnik, Wärmetauscher, Windenergie) ausgestattet. Des Weiteren besitzt das Energiehaus
eine spezielle Dachkonstruktion, das zur Sonne ausgerichtet ist. Alle Energiehäuser sind mit einem
zentralen Akkunetzwerk verbunden, damit jedes Haus genug Energie zur Verfügung hat. Die neue
„Turbinenrohrtechnik“ kann in fast allen Rohren eingesetzt werden (z.B. in Ofenrohren, in
Kanalisationsrohren, in Abflussrohren und in Regenfallrohren). Ein weiteres Anwendungsgebiet ist
die Nutzung der Grundwasserströmung.
2
Inhaltsverzeichnis
1. Projekteinleitung ................................................................................................................................. 4
1.1 Schema meiner Arbeit: .................................................................................................................. 4
2. Das Energiehaus mit der neuen Turbinenrohrtechnik ........................................................................ 5
3. Zusammenfassung/ Diskussion /Auswertung: .................................................................................. 12
3.1. Danksagung ................................................................................................................................ 12
3.2 Wo kommen meine Themen im Schulunterricht vor? ................................................................ 12
4. Anlagen .............................................................................................................................................. 13
4.1. Literaturverzeichnis .................................................................................................................... 13
4.2. Abbildungsverzeichnis ................................................................................................................ 13
4.3. Materialliste ............................................................................................................................... 14
4.4. Beispiel: Das neue Weserkraftwerk ........................................................................................... 15
4.5. Erklärungen/ Quellenverzeichnis ............................................................................................... 16
Abbildung 1: Energiehaus
Bremen, 01.03.2012; Version 9.0
Copyright: Leon Krex, Luxemburgstr. 58a in 28259 Bremen
Alexander von Humboldt Gymnasium Bremen
3
1. Projekteinleitung
Abbildung
2:
Leon Krex 11 Jahre
Ich heiße Leon Krex, bin 11 Jahre alt und gehe auf das Alexander von Humboldt
Gymnasium in Bremen in die Klasse 5b. Mein Lehrer, Herr Berger, hat mich auf
den Wettbewerb „Jugend forscht“ angesprochen. Das Thema Technik hat mich
schon immer sehr interessiert und daher habe ich mich angemeldet. Die Idee
hatte ich und die Arbeiten am Energiehaus habe ich alleine gemacht. Mein Papa
hat mir bei der Texterstellung (Eingabe und Formatierung in Word) und bei der
Materialbeschaffung geholfen. Ich bin durch das neue Weserwasserwerk (siehe
Anlage auf Seite 15), den KOSMOS-Windkraftwerk-Experimentierkasten und den
Neubau nebenan auf die Turbinenrohrtechnik gekommen. Turbinen kann man
nämlich in fast alle Rohre einbauen, in denen etwas fließt oder durchströmt (Luft
oder Wasser). Anwendungsbeispiele sind: Ofenrohre, Regenfallrohre,
Abwasserrohre, Trinkwasserrohre, Belüftungsrohre und Grundwasser-rohre. In meinem Energiehaus
wird die Ofenrohrtechnik gezeigt. Der große Vorteil der Technik ist, die Turbinenrohrtechnik kann
problemlos in allen Rohren und Gebäuden nachträglich eingebaut werden, da die Energie direkt im
Rohr produziert wird. Durch den Klimawandel (durch die Umweltverschmutzung bei der
Energieerzeugung) und die knappen Energiereserven von Öl und Kohle habe ich mir Gedanken über
neue Energiegewinnung gemacht. Es wird immer noch zu viel Energie verschwendet bzw. nicht
genutzt. Daher habe ich die neue Turbinenrohrtechnik entwickelt. Zusammen mit den anderen
regenerativen Energiequellen versorgen sie das neue Energiehaus. Überschüssige Energie der
einzelnen Häuser werden in zentralen Akkus gespeichert. Alle Häuser sind mit den zentralen Akkus
(Akkunetzwerk) verbunden. Der Vorteil ist, dass alle Häuser Energie produzieren, aber nicht alle
Häuser benötigen die Energie zur selben Zeit. Deswegen wird die überschüssige Energie in das
Akkunetzwerk eingespeist. Das Akkunetzwerk beinhaltet auch Elektroautos. Elektroautos speichern
überschüssige Energie und können Sie bei Bedarf wieder ins Netz einspeisen (z.B. Nachts). Diese
Funktionsweise findet sich bei der Smart-Grid-Technologie wieder.
Erklärung: Smart grid („intelligentes Stromnetz“) ist die Vernetzung und Steuerung von
Stromerzeugern, Stromspeichern und elektrischen Verbrauchern. Eine gute Funktionsbeschreibung
ist unter den Link http://www.e-energy.de/de/animation zu finden.
1.1 Schema meiner Arbeit:
Als Schwerpunkt habe ich die Turbinentechnik bearbeitet, zusätzlich habe ich Solar-, Wind- und
Erdwärmeenergie berücksichtigt:
Abbildung 3: Mindmap -Schema meiner Arbeit
4
2. Das Energiehaus mit der neuen Turbinenrohrtechnik
Am Anfang habe ich meine Ideen
auf Papier geschrieben und
verschiedene Modelle gezeichnet.
Abbildung 4: Planungsunterlagen
Danach habe ich ein Pappmodell gebaut und die Funktion geprüft. Meine
Motoren sind nicht wasserfest, daher musste ich mein Turbinenrohr mit
Luft (per Föhn) antreiben. Das Modell stellt ein Ofenrohr dar. Das
Energiehaus verfügt über eine spezielle Dachkonstruktion, die zur Sonne
ausgerichtet
ist,
und
weiteren
Arten
der
regenerativen
Energiegewinnung (Sonne, Wind, Wasser). In meinem Energiehaus sind
meine Conrad-Solarmodule, mein Fischertechnik-Solarmodul, mein
KOSMOS-Windkraftwerk, mein neu entwickelter Solarkollektor und mein
Erdwärmetauscher eingebaut. Die Energiegewinnung wird mit LED’s1
(Licht), einem Propeller (Klimaanlage), einem Motor(Umwälzpumpe für
die Heizung) und ein Multimetermessgerät dargestellt.
Abbildung 5: Messaufbau
Multimeter
Abbildung 7: Multimeter
Version 9.0 | 2. Das Energiehaus mit der neuen Turbinenrohrtechnik
Abbildung 6: Pappemodell
5
Die Turbinenrohrtechnik (Luft/ Wasser)
In meinem Energiehausmodell wird die Ofenrohrtechnik gezeigt
(Energieerzeugung durch Luftströmung). Durch das Ofenrohr strömt
Luft nach oben und treibt eine Rohrturbine an. Die Turbine treibt
den Motor an und der Motor wandelt die Drehbewegung in Strom
um.
Erklärung: Luft besteht aus vielen kleinen Teilchen, den
Luftmolekülen. In warmer Luft bewegen sich die Luftteilchen viel
schneller als in kalter Luft. Wenn sich Luft also erwärmt, schubsen
und stoßen sich die Teilchen heftig voneinander ab, so dass der
Abstand zwischen ihnen größer wird. Warme Luft nimmt daher einen
Abbildung 8: Turbine
2
größeren Raum ein und ist leichter (geringere Dichte). Daher strömt
die warme Luft nach oben und die kalte Luft nach unten.
Die erzeugte Energie wird mit einem Messgerät und einem LEDLauflicht3 mit Bewegungsmelder verbraucht. Da ich kein echtes
Feuer in einem Holzhaus machen darf, habe ich die Luftströmung
mit einem Föhn erzeugt.
Die Nutzung von der Wasserkraft habe ich mit einem
Regenwasserfallrohrmodell
(Holzrohr)
und
Grundwasserströmungsrohrmodell (Holzrohr) dargestellt.
Abbildung 9: Turbinenrohr -Regenwasserfallrohr
Erklärung: Grundwasserströmung entsteht durch
unterirdisches Wasser, das durch die Schwerkraft
durch Hohlräume der Erdschichten fließt. Daher ist
das Prinzip ist immer gleich.
Bei den Versuchen wurden verschiedene
Spannungen erzeugt. Die Höhe der Spannung ist
abhängig von der Stärke des Luftstroms
(Stufenschaltung des Föhns).
Abbildung 10: Turbinenrohr- Grundwasserströmung
Abbildung 11: Messreihe: Turbinenrohr
Energiegewinnung mit der
Turbinenrohrtechnik
Stufe 1
Stufe 2
2,2 Volt
7 Volt
6
Die Solarmodule (Sonne)
Abbildung 12: Solarmodule
Ein Solarmodul wandelt Sonnenstrahlung in elektrische Energie
(Gleichspannung Plus -Minuspol) um. Es besteht aus
photovoltaischen 4Zellen. Das Solarmodul ist ein elektrisches
Bauelement. Bei meinen Versuchen bin ich zu folgendem
Ergebnis gekommen:
Die Größe der Solarmodule ist nicht entscheidend für die
Energie die das Modul produziert. Es kommt auf die Bauweise
und auf die Sonneneinstrahlung der Solarmodule an. Mein
kleines
Conrad-Solarmodul
Abbildung 13: Schaltplan
produziert doppelt so viel
LED + Kondensator
Energie wie mein großes
Solarmodul.
Meine Solarmodule treiben
eine Umwälzpumpe (Motor),
eine Klimaanlage
(Fischertechnik-Propellermotor) und eine LED-Schaltung an. Parallel
zu der LED-Schaltung habe ich einen Kondensator angeschlossen, der
als Akku (Stromspeicher) genutzt werden soll. Dadurch leuchten die
LED’s auch wenn die Sonne nicht
Abbildung 14: Umwälzpumpe
mehr scheint, bis der Kondensator
sich entladen hat (ca. 75
Sekunden).
Abbildung 16: LED Schaltung
Abbildung 15: Schaltplan mit Sperrdiode
7
Der Solarkollektor (Sonne)
Abbildung 17: Versuchsaufbau
Einen Solarkollektor benutzt man, um eine Flüssigkeit zu
erwärmen. Durch einen Solarkollektor fließt
normalerweise eine spezielle Kühlflüssigkeit (bei
meinem Energiehaus durch Wasser dargestellt) um das
Brauchwasser (Badewannenwasser, Heizung) zu
erwärmen das in einem Wasserbehälter
(Wasserspeicher) gelagert wird.
Durch verschiedene Versuche bin ich zu folgenden
Ergebnissen gekommen:
Wichtig ist der Hintergrund und die
Sonneneinstrahlung.
1. Je mehr Sonne, desto höher ist die
Durchlaufstemperatur.
2. Je dunkler der Hintergrund. Desto höher ist die
Durchlaufstemperatur
Meine Durchschnittsdurchlaufstemperatur bei einer
weißen Fläche war 1 °C und bei einem schwarzen
Hintergrund 2,66 °C.
Abbildung 18: Sonnenkollektor
8
Messreihe (Bestrahlung mit einer Rotlichtlampe):
Versuch
Nr.
Wassermenge in
ml
Zeit
in
Minuten
Temperatur
1 in °C
Flasche 1
Temperatur
2
in °C
Flasche 2
Temperaturerhöhung
in °C
Durchschnittstemperatur
in °C
Untergrund
1
2
3
4
5
800
400
700
550
500
60
35
62
43
41
18
19
18
18
19
19
20
23
20
20
1
1
5
2
1
1
2,66
weiß
weiß
schwarz
schwarz
schwarz
Abbildung 19: Messreihe Sonnenkollektor
Der Erdwärmetauscher
(Sonne/ Erdwärme)
Der Erdwärmetauscher dient dazu, dass die Temperatur des Erdreichs im Winter zur Vorwärmung
der Zuluft und im Sommer zur Kühlung genutzt wird. Da im Winter das Erdreich wärmer ist als die
Außenluft, kann mit dieser Maßnahme
Energie eingespart werden. Im Sommer
kann der Erdwärmetauscher zur
5
Kühlung der Zuluft verwendet werden
Im meinem Energiehaus ist der
Erdwärmetauscher
mit
den
Sonnenkollektor verbunden und ist als
Schlauchschleife
unter
meinem
Energiehaus eingebaut.
Abbildung 20: Erdwärmetauscher
9
Das Windkraftwerk (Wind)
Die Windenergie wird durch ein KOSMOS-Windrad erzeugt. Das Windrad treibt über ein Getriebe
einen Motor an, der die Drehbewegung in elektrische Energie umwandelt. Bei meinem Energiehaus
ist das Windrad am Dach angebracht und versorgt eine LED auf dem Windrad. Bei starkem Wind
kann das Windrad die Energie in einem Akku (z.B. in einem zentralen Akkunetzwerk) speichern.
Bei meinem Energiehaus muss man den Akku per Hand anschließen.
Abbildung 21: Windkraftwerk
10
Die Dachkonstruktion (Bauweise)
Bei meinem Energiehaus spielt die Dachkonstruktion eine sehr wichtige Rolle. Das
Dach ist auf einer Seite sehr groß und geht bis zum Erdboden. Der Neigungswinkel
beträgt 55°. Die Konstruktion ist zur Sonnenseite (Süden) ausgerichtet. Merksatz:
"Im Osten geht die Sonne auf, im Süden nimmt sie ihren Lauf, im Westen wird sie
untergehn, im Norden ist sie nie zu sehn“. Daher scheint die Sonne den ganzen Tag
auf die Dachfläche. Dadurch werden die Solarmodule und der Sonnenkollektor
optimal mit Sonne versorgt und können länger Energie erzeugen.
Eine tolle Internetseite für die Berechnung der Sonnenkollektoren ist :
http://www.bastelitis.de/solarstrahlungsrechner-fur-solaranlagen/#ergebnis
Abbildung 22: Kompass
Abbildung 23: Dachkonstruktion
Abbildung 24: Dachneigungswinkel
11
3. Zusammenfassung/ Diskussion /Auswertung:
Das Projekt hat mir sehr viel Spaß gemacht und soll zeigen, dass es noch sehr viele nicht genutzte
und unentdeckte Energiequellen gibt. Meine Turbinenrohrtechnik soll ein Bespiel dafür sein.
Meine Projektziele habe ich erreicht. Das größte Problem bei meinem Projekt war der Motoreinbau
in meinem Turbinenrohr (Befestigung im Rohr). Leider konnte ich die Turbinenrohrtechnik nicht mit
Wasser betreiben, da ich keine wasserfesten Motoren hatte.
Durch das zentrale Akkunetzwerk werden die kleinen Energiegewinnungsquellen zu großen
Energiespeichern zusammengeführt. Viele Häuser können zusammen sehr viel Energie erzeugen und
sich gegenseitig versorgen. Dadurch ist die permanente Energieversorgung der einzelnen Häuser
gesichert.
In meinem Projekt wird das zentrale Akkunetzwerk nur angedeutet, weil mir die Materialen (Akkus,
Energiehäuser, Strommasten) und der Platz zurzeit fehlen. Es wäre daher ein weiteres Folgeprojekt.
In der Praxis muss das Energiehaus auch eine spezielle Dämmung haben und mit modernen
Elektrogeräten (z.B. LED’s ) ausstattet sein, damit wenig Energie verschwendet wird.
Es wäre gut, wenn alle neuen Häuser vernetzt wären, die neuen Dachkonstruktionen hätten und die
neue Turbinenrohrtechnik einsetzten würden (Baugesetzänderung), damit man die ungenutzte
Energie sehr gut nutzen kann.
Gerne präsentiere ich Ihnen mein Energiehaus vor Ort, denn leider kann ich nicht alles aufschreiben.
3.1. Danksagung
Ich bedanke mich bei:
1. meinem WAT-Lehrer Herrn Rolf Berger für das Angebot bei „jugend forscht“ teilzunehmen
und der Materialbereitstellung.
2. meiner NW-Lehrerin Frau Katrin Philipson für die Unterstützung.
3. meinem Vater für die Unterstützung bei der Eingabe in Word und der Materialbeschaffung.
3.2 Wo kommen meine Themen im Schulunterricht vor?
1. NW-Rahmenthemen (5/6 Klasse)
a. Energie der Sonne nutzen
b. Elektrische Energie nutzen
c. Mit dem Wasser leben
2. WAT-Themenbereiche (5/6 Klasse)
a. Ökologische 6Nachhaltigkeit der Produktion
b. Gegenwärtige und zukünftige Folgen und Probleme des Ge- und Verbrauchs von
Ressourcen.
c. Infrastrukturen für Energie
Version 9.0 | 3. Zusammenfassung/ Diskussion /Auswertung:
12
4. Anlagen
4.1. Literaturverzeichnis
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
WAS-IST-WAS, Elektrizität Band24, Tessloff-Verlag,
KOSMOS Elektroventilator
KOSMOS elektronik-START
WAS-IST-WAS, Elektronik Band47, Tessloff-Verlag
CONRAD Solarenergie-verstehen und anwenden
PHYWE Arbeitsblätter zum Thema Strom und Magnete Naturwissenschaft 5./6.Klasse
Fischertechnik PROFI Oeco Tech
Fischertechnik PROFI da Vinci MACHINES
KOSMOS WIND-ENERGIE Experimentierkasten
PHYSIK FÜR INGENIEURE Lindner
Internetrecherche (siehe u.a. 4.5. Erklärungen/ Quellenverzeichnis auf Seite 16)
4.2. Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Energiehaus........................................................................................................................ 3
Abbildung 2: Leon Krex 11 Jahre ............................................................................................................. 4
Abbildung 3: Mindmap -Schema meiner Arbeit...................................................................................... 4
Abbildung 4: Planungsunterlagen ........................................................................................................... 5
Abbildung 5: Messaufbau Multimeter .................................................................................................... 5
Abbildung 6: Pappemodell ...................................................................................................................... 5
Abbildung 7: Multimeter ......................................................................................................................... 5
Abbildung 8: Turbine ............................................................................................................................... 6
Abbildung 9: Turbinenrohr -Regenwasserfallrohr .................................................................................. 6
Abbildung 10: Turbinenrohr- Grundwasserströmung ............................................................................. 6
Abbildung 11: Messreihe: Turbinenrohr ................................................................................................. 6
Abbildung 12: Solarmodule ..................................................................................................................... 7
Abbildung 13: Schaltplan LED + Kondensator ......................................................................................... 7
Abbildung 14: Umwälzpumpe ................................................................................................................. 7
Abbildung 15: Schaltplan mit Sperrdiode................................................................................................ 7
Abbildung 16: LED Schaltung ................................................................................................................... 7
Abbildung 17: Versuchsaufbau................................................................................................................ 8
Abbildung 18: Sonnenkollektor ............................................................................................................... 8
Abbildung 19: Messreihe Sonnenkollektor ............................................................................................. 9
Abbildung 20: Erdwärmetauscher ........................................................................................................... 9
Abbildung 21: Windkraftwerk ............................................................................................................... 10
Abbildung 22: Kompass ......................................................................................................................... 11
Abbildung 23: Dachkonstruktion ........................................................................................................... 11
Abbildung 24: Dachneigungswinkel ...................................................................................................... 11
Abbildung 25: SWB Weserkraftwerk Quelle Fußnote V ........................................................................ 15
Version 9.0 | 4. Anlagen
13
4.3. Materialliste
Materialliste
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
Akkus (Kondensatoren)
Bewegungsmelder
Dichtungsband
Draht
Experimentierplatte
Fischertechnikplatte
Föhn
Folie
Holzleim
Holzleisten
Holzstangen
Kabel
Kondensator (Akku)
Krokodilsklemmen
LED’s
Lötzinn
Elektrisches Messgerät
(Multimeter)
Motoren
Nägel
Papier
Playmobilsachen
Pritstift
Propeller
Rotlichtlame
Schaschlikspieße
Schrauben
Schwarze Farbe
Signalband
Solarmodule
Sperrholz
Strohhalme
Tapeband
Tesafilm
Thermometer
Unterlegscheiben
Wasserflaschen
Wasserschlauch
Windkraftanlage
14
4.4. Beispiel: Das neue Weserkraftwerk
Ein Vorbild war u.a. die neue ENERCON-Turbine an der Weser in Bremen.
„Sie besitzen vier Turbinenschaufeln und werden vom Wasser direkt angeströmt. Schaufelstellung
und Umdrehungszahl sind dabei variabel und passen sich automatisch entsprechend dem
Wasserzufluss und der Fallhöhe an. Die Turbinen treiben zwei Generatoren an, die für
7
Windenergieanlagen stammen und für den Einsatz im Weserkraftwerk modifiziert wurden“.
Abbildung 25: SWB Weserkraftwerk Quelle Fußnote V
8
15
4.5. Erklärungen/ Quellenverzeichnis
1
Definition: Eine Leuchtdiode (auch Lumineszenz-Diode, englisch light-emitting diode,
deutsch lichtemittierende Diode, LED) ist ein elektronisches Halbleiter-Bauelement. Fließt
durch die Diode Strom in Durchlassrichtung, so strahlt sie Licht ab.
Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/LED
2
Quelle: http://www.tecnopedia.de/index.php?experimentId=119963687000310&id=
119894079436354
3
Conrad Bausatz 6-Kanal-LED-Lauflicht mit Bewegungsmelder Best.-Nr. 19 10 97
4
Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Photovoltaik: Unter Photovoltaik bzw. Fotovoltaik
versteht man die direkte Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie mittels
Solarzellen. Seit 1958 ist sie zur Energieversorgung der meisten Raumflugkörper im Einsatz.
Inzwischen wird sie auch auf der Erde zur Stromerzeugung eingesetzt und findet unter
anderem Anwendung auf Dachflächen, bei Parkscheinautomaten, in Taschenrechnern, an
Schallschutzwänden und auf Freiflächen.
5
Quelle: http://www.energiesparhaus.at/impressum.htm von Frau Gudrun Stoiber.
http://www.energiesparhaus.at/energie/erdwaermetauscher.htm
6
Definition: Ökologie ist die Lehre von den Wechselbeziehungen zwischen belebter und
unbelebter Umwelt, also zwischen der Gesamtheit der Mikroorganismen, Pflanzen, Tiere
und Menschen und den unbelebten Bestandteilen wie Klima, Boden, Wasser und Luft.
Quelle: http://www.umweltdatenbank.de/cms/lexikon/lexikon-o/oekologie.html
7
Quelle: http://www.weserkraftwerk-bremen.de/presse_mitteilung_detail.php?id=21
8
Quelle: http://www.weserkraftwerk-bremen.de/data/bilder_pressefotos/
weserkraftwerk_krafthaus_detail.jpg
16

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