Modell-Wasserkraftwerk

Wo steckt die Lageenergie

Wasserkraftwerke werden im Rahmen der Energiethematik gerne beschrieben - es stellt sich nur die Frage, ob diese Beschreibungen noch als korrekte didaktische Reduktionen bezeichnet werden können. Typisch ist z.B. folgender Schulbuchtext:

Im Modellkraftwerk fließt Wasser aus dem hochgestellten Vorratsgefäß auf die Turbine. Diese wird in Drehung versetzt ... Die Ursache für die Drehung des Wasserrades ist die Bewegungsenergie des fließenden Wassers; diese war vorher als Lageenergie im hochgehobenen Wasser des Vorratsgefäßes gespeichert. Die Lageenergie des Wassers nützt also erst etwas, wenn sie zum Wasserrad gelangt.

Im Unterricht führt dieser Text bei den Schülerinnen und Schülern eventuell zu folgenden Einsichten bzw. Fragen :

• Ist die Lageenergie wirklich IM Wasser gespeichert? Das Wasser im Vorratsgefäß besitzt eine Masse, es hat eine bestimmte Dichte, es hat eine bestimmte Temperatur - steckt die Lageenergie in diesem Sinne IM Wasser? Muss man hier nicht das System Wasser - Planet bzw. Gravitationsfeld betrachten?
• Wird bei einem Wasserkraftwerk die Lageenergie direkt in Bewegungsenergie umgewandelt? Fällt das Wasser im Fallrohr wie beim freien Fall nach unten und wandelt sich dabei Lageenergie in Bewegungsenergie um? Wenn das so wäre, müsste dann die Wassersäule im Fallrohr nicht ebenso auseinander reißen wie der Wasserstrahl an einem Wasserhahn?

Solchen Text könnte man positiv wenden, wenn man sie als offene Problemstellung in die Klasse trägt und damit einen entdeckenden Unterricht mit einer Bandbreite an Möglichkeiten provoziert. So z.B. könnte man (a) darüber nachdenken (eine Tugend, die im Zeitalter von Wikipedia und Internet eventuell zu kleingeschrieben wird), (b) in der Schülerbücherei - oder im Internet zu recherchieren oder (c) die Hypothesen, Modellvorstellungen in Vorhersagen zu gießen, die man in einem Experiment testet.

In diesem Rahmen spielen theoriegeleitete Experimente eine ganz besondere Rolle - vor allem auch in offenen Problemstellungen ... und besonders motivierend, wenn diese Fragestellungen aus den Reihen der Schülerinnen und Schüler selbst kommen.

Der Ausgangspunkt dieser Fragestellungen war die Demonstration des Energieträgerstromkreises der Firma Conatex, in der eine Wasserpumpe eine Druckdifferenz erzeugt, die als Antrieb für einen Wasserstrom erkannt wird.

Abbildung: Energieträgerstromkreises der Firma CONATEX, in der eine Wasserpumpe eine Druckdifferenz erzeugt, die als Antrieb für einen Wasserstrom erkannt wird.

Der Wasserstrom treibt eine Wasserturbine, die über eine Magnetkupplung mit einem Generator verbunden ist, der die Energie, die mit der Wasserströmung angeliefert wird, über die Turbine aufnimmt und als elektrische Energie zur Verfügung stellt. An dem Generator ist ein Elektromotor mit aufgesetztem Propeller angeschlossen. Mit diesem Modell kann man wichtige Aspekte aus den Bildungsstandards zur Energiethematik veranschaulichen. Wesentlich ist hierbei die Erkenntnis, dass Energie nie allein fließt, dass immer eine zweite, mengenhafte physikalische Größe beteiligt ist ¹ .

Dieser Energieträgerstromkreis provoziert eventuell zwei Fragestellungen:

• Kann man den Energiefluss, der im üblichen Modell von der Wasserpumpe (Abbildung links) zum Elektromotor (Abbildung rechts) geht, umdrehen? Also, was passiert, wenn man den Propeller auf dem Elektromotor von Hand andreht?
• Können wir mit diesen Geräteteilen nicht ein Modellwasserkraftwerk aufbauen?

Eine besondere Faszination geht von Energiewandlern aus, die in beiden Richtungen funktionieren - so z.B. das Generator/ Motor-Geräte Dynamot oder Elektrolyseurzellen, die auch als Brennstoffzellen funktionieren oder diese Turbinen-Generatorkombination - bzw. der Elektromotor der Firma CONEX -, der als Generator oder Motor betrieben werden kann.

Für die Realisierung der zweiten Frage - Bau eines Modell- Wasserkraftwerks - muss man etwas mehr Unterrichtszeit investieren, die sich aber auf jeden Fall lohnt, denn es können damit wesentliche Themen der Physikbildungspläne - wie z.B. Energiespeicher , Energiestrom und Energiewandlung anschaulich demonstriert werden. Neben Fragen zum hydrostatischen Druck , Wirkungsweise eines Fallrohres in einem Wasserkraftwerk und die Diskussion verschiedener Wirkungsgrade kann dieses Experiment eine ganze Palette an interessanten Fragen provozieren. Der Unterschied zwischen der Energie - bzw. dem Energiestrom - und der mitfließenden Größe wird vor allem an den Stellen deutlich, an denen die Energie ihren mengenhaften Partner wechselt - also in den Energiewandlern Generator und Elektromotor .

¹ In unterschiedlichen didaktischen Reduktionen nennt man diese zweite mengenhafte physikalische Größe auch Energieträger. Wenn diese Modellvorstellung reflektiert eingesetzt wird, hat sie ihren Stellenwert. Wird diese Trägervorstellung naiv verwendet (im Sinne eines Rucksackmodells), wirken solche naive Bilder bei späteren Vertiefungen eventuell hinderlich.

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