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Physik

Die Energieversorgung in Teilprobleme zerlegen

Ein großes Problem wird lösbar, wenn man es in Teilprobleme zerlegt. Du ordnest Erzeugung, Speicherung, Übertragung und Verbrauch und rechnest die Verluste im Netz.

  • ca. 12 Minuten
  • Klasse 10
  • Niveau: Standard

Das lernst du heute

  • Ich kann ein großes Problem in physikalische Teilprobleme zerlegen.
  • Ich kann erklären, warum Strom mit hoher Spannung übertragen wird.
  • Ich kann Informationen aus mehreren Quellen zusammenfassen.

Das brauchst du schon: Vielleicht hilft dir zuerst eine dieser Lektionen: Der Generator: Wechselspannung erzeugen, Wirkungsgrad: zugeführte und genutzte Energie

Die Frage, wie eine Stadt in Zukunft Energie bekommt, ist zu groß für einen Schritt. Man zerlegt sie in Teilprobleme. Erstens die Erzeugung: Welche Quellen liefern wie viel Leistung? Zweitens die Speicherung: Wie überbrückt man Zeiten mit wenig Wind und Sonne? Drittens die Übertragung: Wie kommt der Strom vom Erzeugungsort zum Verbrauch? Viertens der Verbrauch: Wie viel braucht man wann? Zu jedem Teil gibt es eine physikalische Frage. Das Beispiel Übertragung: Eine Leitung hat einen Widerstand R. Fließt der Strom I, entsteht Verlustleistung. Sie ist P_V = R · I². Die übertragene Leistung ist P = U · I. Bei gleicher Leistung bedeutet doppelte Spannung nur halbe Stromstärke. Die Verlustleistung wird dann viermal kleiner. Darum überträgt man Strom über große Strecken mit hoher Spannung. Kurz vor dem Haushalt setzen Transformatoren die Spannung wieder herab. Wenn du Informationen aus verschiedenen Quellen sammelst, ordne sie den Teilproblemen zu. So bekommst du eine zusammenfassende Darstellung.

Vier Teilprobleme der Energieversorgung.
TeilproblemFragePhysik dahinter
ErzeugungWie viel Leistung liefert eine Quelle?Energieumwandlung, Leistung
SpeicherungWie wird die Lücke überbrückt?Lageenergie, chemische Energie
ÜbertragungWie bleiben die Verluste klein?P = U · I, P_V = R · I²
VerbrauchWie viel braucht man wann?Leistung, kWh

Verluste in der Leitung berechnen

  1. Gegeben: P = 1 000 000 W, Leitungswiderstand R = 2 Ω.
  2. Bei U = 10 000 V: I = P : U = 100 A. P_V = 2 · 100² W = 20 000 W.
  3. Bei U = 100 000 V: I = 10 A. P_V = 2 · 10² W = 200 W.
  4. Vergleich: Die zehnfache Spannung macht die Verluste hundertmal kleiner.
  5. Ergebnis: Hochspannung spart Energie.

Ich verstehe das noch nicht

Such dir aus, was dir hilft.

Noch einfacher erklärt

Große Aufgaben teilt man in kleine.

Beim Strom: Erzeugen, speichern, übertragen, verbrauchen.

Hohe Spannung macht weniger Verlust.

Ein Beispiel

Beispiel

Wenn du ein Fest planst, teilst du es auf: Einladungen, Essen, Musik, Aufräumen. Jede Teilaufgabe kann jemand anderes übernehmen. So ist es auch bei der Energieversorgung.

Schritt für Schritt

Du zerlegst ein Problem in drei Schritten.

  1. Schreibe das große Problem als Frage auf.
  2. Teile es in Erzeugung, Speicherung, Übertragung und Verbrauch.
  3. Ordne jedem Teil eine physikalische Größe zu.

Mit einem Bild erklärt

SpannungStromstärke bei 1 MWVerlustleistung (R = 2 Ω)
10 000 V100 A20 000 W
100 000 V10 A200 W

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Ausprobieren

Jetzt zusammen

Wir lösen die Aufgabe gemeinsam. Nutze die Hilfen, wenn du sie brauchst.

Eine Leitung überträgt 1 000 000 W bei 100 000 V. Wie viele Ampere fließen? Rechne I = P : U.

Zeig mir den ersten Schritt

Teile 1 000 000 durch 100 000.

Lösung ansehen

Lösung: 10

1 000 000 : 100 000 = 10 A.

Üben

Jetzt du

Jetzt probierst du es allein.

Der Widerstand der Leitung beträgt 2 Ω, die Stromstärke 10 A. Wie viel Watt gehen als Verlust verloren? P_V = R · I².

Zeig mir den ersten Schritt

Rechne erst 10², dann mal 2.

Lösung ansehen

Lösung: 200

10² = 100. 2 · 100 = 200 W.

Tipp: Frage bei jedem großen Problem: Welche Teile hat es? Welche Größe gehört zu welchem Teil?

Merksatz: Teilprobleme: Erzeugung, Speicherung, Übertragung, Verbrauch. Übertragung: P = U · I und P_V = R · I². Höhere Spannung gibt kleinere Stromstärke und kleinere Verluste.

Typischer Fehler: Viele denken, bei hoher Spannung gehe in der Leitung mehr Energie verloren. Das Gegenteil stimmt: Höhere Spannung spart Energie. Hochspannungsleitungen sind trotzdem lebensgefährlich. Halte immer Abstand und klettere nie auf Strommasten.

Prüfen

Mini-Quiz

4 kurze Fragen, ohne Noten. Bei jeder Frage kannst du dir die Lösung ansehen.

Frage 1 Welches Teilproblem betrifft die Frage, wie man windarme Wochen überbrückt?
Lösung ansehen

Lösung: Speicherung

Frage 2 Bei gleicher Leistung bedeutet höhere Spannung eine kleinere Stromstärke.
Lösung ansehen

Lösung: Stimmt

Frage 3 Warum überträgt man Strom über weite Strecken mit hoher Spannung?
Lösung ansehen

Lösung: Die Verluste in der Leitung sind kleiner.

Frage 4 Wie fasst man Informationen aus mehreren Quellen zusammen?
Lösung ansehen

Lösung: Man ordnet sie den Teilproblemen zu und notiert die Quelle.

Geschafft

Man zerlegt ein großes Problem in Teilprobleme. Die Übertragung bleibt verlustarm, wenn man mit hoher Spannung und kleiner Stromstärke überträgt.

Zum Schluss

Kannst du das schon?

Hake ab, was du schon kannst. Was noch fehlt, schaust du dir einfach noch einmal an.

Zum Ausdrucken

Übungsheft Energieversorgung der Zukunft

Kurz erklärt, 48 Aufgaben in drei Stufen und alle Lösungen. Kostenlos.

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