Energiequelle Straße Von Felix Divo

Energiequelle Straße
Von Felix Divo
Verfasser:
Felix Divo
Heimstättenweg 117a
64295 Darmstadt
Betreuungslehrer:
Schule:
Hr. Dr. Geider
Lichtenberg Gymnasium Darmstadt
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1. Inhaltsverzeichnis
1.Inhaltsverzeichnis
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2. Kurzfassung
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3. Einleitung (Forschungsstand, Fragestellung und Zielsetzung)
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4. Experiment 1: Betonstraße
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a. Versuchsaufbau / Material
b. Methode
5. Experiment 2: Teerstraße
a. Versuchsaufbau / Material
b. Methode
6. Ergebnisse
a. Betonstraße
b. Teerstraße
7. Diskussion
a. Bewertung der Ergebnisse
b. Schlussfolgerung
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8. Literaturhinweise
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9. Danksagung
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2. Kurzfassung
Heutzutage werden schon viele Gebäudeflächen zur Energiegewinnung genutzt. Doch Straßen
gehören heute noch nicht zu den Bauwerken mit denen Energie gewonnen wird. Damit stellt sich die
Frage, wie man Straßen zur Energieerzeugung nutzen könnte. Wenn dies gelingen würde, hätte man
große Flächen zur Energiegewinnung zur Verfügung. Im Sommer, wenn die Sonne tagsüber auf
schwarze Teerstraßen scheint, erhitzen sich diese stark. Diese Wärmeenergie könnte man sich zu
Nutzen machen, um zum Beispiel Strom zu gewinnen. Um dies zu testen, habe ich zwei Modelle
gebaut. Der erste Versuchsaufbau ist aus Beton gebaut und soll einen Teil einer Betonstraße
simulieren. Das eingelegte Kupferrohr soll mit dem darin fließenden Wasser die Energie dem
Straßenbelag entziehen.
Ich habe zuerst versucht, mit Heißluftfönen die Straße aufzuwärmen, doch leider hatte ich Fehler im
Versuch, die eine großflächige Erwärmung der Fläche nicht möglich machten. Weiterhin war der
Versuchsaufbau unrealistisch, da die Simulation der Sonneneinstrahlung nicht gut umsetzbar war.
Deshalb habe ich einen zweiten Versuchsaufbau mit Asphalt gebaut. Diesmal soll der Versuchsaufbau
die obere Schicht einer Teerstraße simulieren. Jetzt habe ich versucht, mit einer Infrarotlampe das
Straßen-Modell zu erwärmen. Dies hat gut messbare Ergebnisse zustande gebracht. Die
Teertemperatur in der Mitte in 2 cm Tiefe, also im Infrarotschein, erreichte 48°C! In einem zweiten
Versuch mit Infrarotstrahlen betrug die Teertemperatur in der Mitte in 0,5 cm Tiefe, stolze 78,3°C!
Grundsätzlich funktioniert also das Prinzip, Wärme mit Kupferleitungen aus durch Sonne erwärmten
Straßen zu gewinnen!
An der Oberfläche der Teerstraße in der Mitte ist nach 45 min die maximale Temperatur erreicht
worden: ca. 74°. Danach ist die Temperatur kaum mehr angestiegen. Die erreichten Temperaturen in
2 cm Tiefe von ca. 48°C, wo die Kupferschleifen liegen, würden wahrscheinlich noch nicht ausreichen
um Wärmekraftmaschinen effektiv zu betreiben. Bei Wärmekraftmaschinen wäre aber auch eine
Isolation im Straßenbelag notwendig, und man bräuchte Kühlschleifen unterhalb der Isolation.
Allerdings wäre es denkbar, es bei wärmebenötigenden Produktionen zu verwenden. Je größer der
der Temperaturunterschied, desto höher der Wirkungsgrad. In meinem Beispiel wäre der
Wirkungsgrad 10%. In meinen Versuchen habe ich außerdem
herausgefunden dass die
Messergebnisse besser werden, wenn die absorbierende Straßenschicht möglichst dünn ist, wenig
Masse hat und nach unten isoliert ist. Die Erwärmung der dicken und schweren Betonstraße
funktionierte mit Infrarotstrahlern kaum. Die dünne und leichte Teerstraße ließ sich aber sehr gut
erwärmen.
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3. Einleitung (Fragestellung und Zielsetzung)
Heutzutage werden schon viele Gebäude zur Energiegewinnung genutzt. In Süddeutschland erreicht
die Energieeinstrahlung der Sonne ca. 150 w/m2 im Jahresdurchschnitt auf 24 Stunden gerechnet
(Matthias Loster, 15.12.2009). Die Energieeinstrahlung erreicht in Äquatornähe noch deutlich höhere
Werte (Matthias Loster, 15.12.2009). Siehe Bild 1.
Doch Straßen gehören heute noch nicht zu den Bauwerken mit denen Energie gewonnen wird.
Damit stellt sich die Frage, wie man Straßen zur Energieerzeugung nutzen könnte. Wenn dies
gelingen würde, hätte man große Flächen zur Energiegewinnung zur Verfügung. Im Sommer, wenn
die Sonne tagsüber auf schwarze Teerstraßen scheint, erhitzen sich diese Straßen stark. Diese
Wärmeenergie könnte man sich zu Nutzen machen um zum Beispiel Strom zu gewinnen.
Dazu muss in einem ersten Schritt die Wärmeenergie aus dem Straßenbelag entnommen werden.
Diese Entnahme soll im diesem Experiment simuliert werden. Ziel war es, festzustellen ob man
wasserdurchflossene Wärmeüberträger aus Kupferrohrschleifen verwenden kann, um dem
Straßenbelag Wärme zu entziehen, um Wärmeenergie zu gewinnen.
Bild 1
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4. Experiment 1: Betonstraße
a. Versuchsaufbau / Material
Der Versuchsaufbau soll einen Teil einer Betonstraße simulieren. Es ist eine
Betonstraße, weil Autobahnen oft aus diesem Material hergestellt werden. Das
eingelegte Kupferrohr, durch das das Wasser fließt, soll die Energie dem
Straßenbelag entziehen. Die Styroporplatten an der Seite und am Boden sollen die
Wärme in dem Versuchsaufbau halten.
Bild 2: Seitenansicht vor der Verkleidung mit Styropor und vor der Bemalung mit schwarzer Farbe:
Estrichbeton 63 mm
stark
Messlatte
in mm
Kupferrohr, Da = 8mm
Styropor 20 mm
stark
Holzplatte
Bild 3: Verlegung des Kupferrohrs
im Beton:
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Bild 4: Betonieren der Fahrbahn:
Bild 5: Anstrich der Fahrbahn:
Verwendete Materialien:




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3,3 m Kupferrohr; Innendurchmesser: 6mm; Außendurchmesser: 8 mm
Straßenbelag aus Estrichbeton , Hersteller: DHT Dämmstoff Handel +
Technik GmbH Hafenstraße 38, 31137 Hildesheim
Schwarze Vollton- und Abtönfarbe, matt; Hersteller: Hornbach Baumarkt
AG, 76878 Bornheim
Styroporplatten; 20 mm stark
Montagekraftkleber Pattex, Henkel KGaA, D-40191 Düsseldorf
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b. Methode
Ich habe zuerst versucht, mit fest installierten Heißluftfönen die Straße
aufzuwärmen, doch leider war beim ersten Versuch aus einem
unerklärlichen Grund kein Wasser mehr in dem Kupferrohr und beim
zweiten Versuch schmolz das Styropor zum Teil und auch die Farbe hat
sich abgelöst. Außerdem war der Versuchsaufbau unrealistisch, da die
Sonneneinstrahlung nicht realistisch simuliert werden konnte
(unregelmäßige Wärmeverteilung). Hier habe ich ein
Digitaltemperaturmessgerät mit zwei Nachkommastellen benutzt.
Bild 6: Versuch, Erwärmung mit Heißluftfönen:
5. Experiment 2: Teerstraße
a. Versuchsaufbau / Material
Der Versuchsaufbau soll die obere Schicht einer Teerstraße simulieren. Es wurde jetzt
ein Teerbelag genommen, weil das Experiment vorher mit Beton nicht erfolgreich
war (Siehe hierzu auch Punkt 5, Diskussion). Außerdem werden heutzutage
hauptsächlich Teerstraßen und nur wenige Betonstraßen gebaut. Das mit
eingegossene Kupferrohr, durch das Wasser fließt, soll die Energie dem Straßenbelag
entziehen. Der Holzrahmen an allen Seiten soll die Teermasse in Form halten, wenn
sie zu warm wird. Die untergelegte Styroporplatte soll dafür sorgen, dass die Wärme
nicht nach unten entweichen kann.
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Bild 7: Kupferrohrschleifen im Holzrahmen:
Bild 8: Kupferrohrschleifen im Holzrahmen und Messlatte:
Kupferrohr, Da = 8mm
Holzrahmen 2x4,5
cm dick
Holzplatte
Bild 9: Fertige Teerstraße im Holzrahmen:
Teerbelag 45 mm
stark
Styropor 20 mm
stark
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Verwendete Materialien:
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
2,5 m Kupferrohr; Innendurchmesser: 6mm; Außendurchmesser: 8 mm
7,5 kg Straßenbelag aus Teer: Asphaplast Kaltmischgut, Hersteller:
Vereinigte Hartsteinwerke Wächtersbach GmbH, Wächtersbach
Fichten-Holz; 2x4,5 cm
Styroporplatte; 20 mm stark
Infrarotlampe; 150 Watt; Hersteller: Hans Dinslage GmbH, Riedlinger Str.28,
8852 Uttenweiler, Deutschland (www.sanitas-online.de); Modell: SIL 16
b. Methode
Da das erste Experiment (Betonstraße) fehlschlug, habe ich das zweite Modell
gebaut. Danach habe ich versucht, mit einer fest installierten 150 Watt Infrarotlampe
(in einem Abstand von 27 cm) das Straßen-Modell zu erwärmen. Bei allen Versuchen
habe ich mit stehendem Wasser in den Kupferrohren gearbeitet. Dies hat gut
messbare Ergebnisse zustande gebracht. Hier habe ich ein
Digitaltemperaturmessgerät mit einer Nachkommastellen benutzt.
Bild 10: Stampfen des Straßenbelags:
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Bild 11: Infrarotbeleuchtung des Straßenmodells:
Temperaturmessung
in Mitte
Temperaturmessung
am Rand
6. Ergebnisse
a. Betonstraße
1. Vorversuche, die Straße mit Infrarotstrahlen zu erwärmen, waren erfolglos.
2. Der erste Versuch mit Heißluft ist fehlgeschlagen!
3. Der zweite Versuch mit Heißluft hat den Aufbau teilweise zerstört. Das Wasser
hat sich aber trotzdem im Stehen bei einer Dauer von einer Stunde von 19°C auf
30°C erwärmt, also um 11°C.
b. Teerstraße
1. In einem ersten Versuch mit Infrarotstrahlen habe ich die Teertemperatur an zwei
Orten in 2 cm Tiefe gemessen. Die Anfangstemperatur bei allen drei Punkten
betrug 16°C. Die Messungen wurden nach 60 min. durchgeführt.
Die Wassertemperatur (28,5°C) und die Teertemperatur am Rand (27,1°C)
erreichten ähnliche Werte. Die Teertemperatur in der Mitte, also im
Infrarotschein, hingegen erreichte relativ hohe 48°C! Siehe Abbildung 1.
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Abbildung 1:
Temperatur in Grad Celsius
1. Teertemperatur in 2 cm Tiefe
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Teertemperatur Mitte
Teertemperatur Rand
Wassertemperatur
0
20
40
60
80
100
Versuchsdauer in Minuten
2. In einem zweiten Versuch mit Infrarotstrahlen habe ich die Teertemperatur
wieder an zwei Orten, aber jetzt in 0,5 cm Tiefe gemessen. Die
Anfangstemperatur bei beiden Punkten betrug 15,6°C. Die Messungen wurden
alle 15 min. durchgeführt.
Die Teertemperatur in der Mitte, also im Infrarotschein, hingegen erreichte dieses
Mal hohe 78,3°C! Die blaue Kurve (Teertemperatur Mitte) sieht wegen
Messungenauigkeiten unregelmäßig aus. Siehe Abbildung 2.
Abbildung 2:
Temperatur in Grad Celsius
2. Teertemperatur in 0,5 cm Tiefe
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Teertemperatur Mitte
Teertemperatur Rand
0
20
40
60
80
100
Versuchsdauer in Minuten
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7. Diskussion
a. Bewertung der Ergebnisse
Grundsätzlich funktioniert also das Prinzip, Wärme mit Kupferleitungen aus der durch Sonne
erwärmten Straße zu gewinnen! An der Oberfläche der Teerstraße in der Mitte ist nach
45 min. die maximale Temperatur erreicht worden: ca. 74°. Danach ist die Temperatur kaum
mehr angestiegen.
b. Schlussfolgerung
Der Versuchsaufbau hat gezeigt dass es grundsätzlich möglich ist, aus einem Straßenkörper
erwärmtes Wasser zu erhalten. Die erreichten Temperaturen von 48°C würden
wahrscheinlich noch nicht ausreichen um Wärmekraftmaschinen effektiv zu betreiben.
Allerdings wäre es denkbar, dieses Verfahren bei wärmebenötigenden Produktionen Was
zum Beispiel? zu verwenden. Bei Wärmekraftmaschinen wäre aber auch eine aufwendige
und teure Isolation im Straßenbelag notwendig und man bräuchte Kühlschleifen unterhalb
der Isolation. Je größer der der Temperaturunterschied, desto höher der Wirkungsgrad. Man
könnte zum Beispiel folgende Systeme zur Stromgewinnung nutzen:

Wenn man den Stirling-Motor verwenden würde oder einen OTEC (engl.: Ocean
Thermal Energy Conversion) ähnlichen Prozess nutzen würde um Strom zu gewinnen,
sollte der Temperaturunterschied so groß wie möglich sein. Ein großer
Temperaturunterschied erhöht dabei den Wirkungsgrad.
Hier verwende ich meine gemessenen Werte!
In diesem Beispiel wäre der Wirkungsgrad:
Wirkungsgrad η = ((273+48)-(273+16)): (273+48)∙100= 10%
In meinen Versuchen habe ich auch herausgefunden dass die Messergebnisse besser werden,
wenn die absorbierende Straßenschicht möglichst dünn ist, wenig Masse hat und nach unten
isoliert ist. Die Erwärmung der dicken und schweren Betonstraße funktionierte mit
Infrarotstrahlern kaum. Die dünne und leichte Teerstraße ließ sich aber sehr gut erwärmen.
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8. Literaturhinweise
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Formel Wirkungsgrad: Ausschnitt aus:
http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Carnoteta.PNG&filetimestamp=20070514130610
15.12.2009
Bild 1: http://www.ez2c.de/ml/solar_land_area/
15.12.2009, Matthias Loster
9. Danksagung
Ich bedanke mich bei meinem Projektleiter Hr. Dr. Geider, meinen Eltern, den Mitgliedern
des Weird-Science-Clubs, und allen, die mich inspiriert haben.
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