In dieser Unterrichtseinheit zur Halbleiterphysik werden die Lernenden mit dem bipolaren Transistor vertraut gemacht. Bei diesem handelt es sich um ein Halbleiterbauelement, das meistens aus Silizium besteht. Die Lernenden erkennen, dass der Transistor sowohl als Schalter als auch als Verstärker eingesetzt werden kann.Mit entsprechenden Abbildungen, Videos und Animationen werden die Schülerinnen und Schüler mit dem Aufbau des Transistors bekannt gemacht. Sie sehen, dass der Transistor aus drei dünnen Halbleiterschichten aufgebaut ist, die übereinandergelegt sind. Seine Bezeichnung ist aus seiner Funktion abgeleitet. So wird bei einer Widerstandsänderung in einer Halbleiterschicht auch der Widerstand in der anderen Schicht beeinflusst – aus dem Begriff "transfer resistor" entstand die Bezeichnung Transistor. Dabei wird zwischen einem npn- oder pnp-Transistor unterschieden, entsprechend der n- oder p-dotierten Schichten. Die jeweils mittlere Schicht ist verglichen mit den beiden anderen Schichten sehr dünn. Jede Schicht ist mit metallischen Anschlüssen versehen, die aus dem Transistorgehäuse herausführen und mit dem zugehörigen Stromkreis verbunden sind. Die Außenanschlüsse des bipolaren Transistors bestehen aus Kollektor C und Emitter E. Die mittlere Schicht wird als Basis B bezeichnet und dient als Steuerelektrode oder auch als Steuereingang des Transistors. Halbleiterphysik für Fortgeschrittene – Grundlagen des Bipolartransistors Die vielfältigen Möglichkeiten für den Einsatz von Transistoren in Form von Schaltern, Datenspeichern und Verstärkern auf teilweise miniaturisierten integrierten Schaltkreisen haben Technologien möglich gemacht, die unseren heutigen – meist selbstverständlichen – Umgang mit PC, Fernsehgeräten und Smartphone erst ermöglicht haben. Die meist nur noch von spezialisierten Fachleuten durchschaubaren physikalischen Abläufe werden durchschnittlichen Nutzerinnen und Nutzern verborgen bleiben – deshalb ist es wichtig, im Physik-Unterricht zumindest die Grundprinzipien von Transistoren so anschaulich wie möglich zu vermitteln. Vorkenntnisse Grobe Vorkenntnisse können nur von Lernenden erwartet werden, die sich von klein an mit Elektronik in Form von Baukästen et cetera beschäftigt haben. Für alle anderen wird die Halbleitertechnologie und im Besonderen der Transistor völliges Neuland sein. Didaktische Analyse Bei der Behandlung des Themas muss man darauf achten, dass die prinzipiell gut nachvollziehbare Arbeitsweise eines Transistors so anschaulich wie nur möglich vermittelt wird. Das Modell mit zwei sich ergänzenden Wasserkreisen ist dafür sehr gut geeignet. Methodische Analyse Neben der schrittweisen Heranführung an Bau und Funktion von Transistoren ist es sehr wichtig, durch geeignete Übungsaufgaben die zunächst für viele etwas komplex wirkenden Schaltkreise genau zu beschreiben und zu erläutern. Wichtig wird dabei auch werden, auf den Unterschied zwischen technischer Stromrichtung (von + nach –) im Gegensatz zur tatsächlichen Fließrichtung der Elektronen (von – nach +) einzugehen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können Bau und Funktionsweise eines Bipolartransistors beschreiben und erklären. wissen um die große Bedeutung von Transistoren in der Mikroelektronik. können einfache Berechnungen zur Verstärker-Wirkung von Transistoren ausführen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten, Hintergründe und Kommentare im Internet. können die Inhalte von Videos, Clips und Animationen auf ihre sachliche Richtigkeit hin überprüfen und einordnen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Partner- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. setzen sich mit den Ergebnissen der Mitschülerinnen und Mitschüler auseinander und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben genügend fachliches Wissen, um mit anderen Lernenden, Eltern, Freunden et cetera wertfrei diskutieren zu können.

Das Material bietet eine Experimentier-Grundlage zum Thema maschinelles Lernen und Künstliche Intelligenz (KI), die browserbasiert arbeitet. Sie kann ergänzt werden durch Lehrmaterial eines offenen Online-Kurses (MOOC). Das "KI-Labor" bietet Möglichkeiten, mit dem eigenen digitalen Endgerät maschinelles Lernen erfahrbar zu machen. Es bietet aktuell die folgenden Lernräume: Handschrifterkennung durch ein neuronales Netz: Es ist sowohl ein vortrainiertes wie auch selbst-trainiertes Modell möglich. Dabei wird ein bekannter, frei verfügbarer Datensatz der Forschung (NIST) verwendet. Objekterkennung mit der Webcam: Auch hier wird ein vortrainiertes Modell mit einem frei verfügbaren Datensatz verwendet. Generierung von künstlichen Bildern als Beispiel für die GAN-Technik bei neuronalen Netzen Tic-Tac-Toe: Einfaches Verstärkungslernen sichtbar machen. Es muss eine KI durch mehrere Spiele selbst trainiert werden, die anschließend perfekt spielt. Somit sind verschiedene Themenbereiche des überwachten Lernens und Verstärkungslernens abgedeckt. Es kann selbstständig mit den Möglichkeiten und Grenzen der jeweiligen Technologien experimentiert werden. Das KI-Labor kann entweder für sich alleine beziehungsweise in Kombination mit einer Unterrichtseinheit verwendet werden oder mit Hilfe der Lehrtexte des kostenlosen MOOCS "Elements of AI" zu einer vollwertigen Selbstlernumgebung ergänzt werden. Zur Ausführung wird lediglich ein moderner Webbrowser benötigt, je nach Hardware-Ausstattung können einige der Beispiele gegebenenfalls etwas länger dauern. Für die Objekterkennung wird darüber hinaus eine Webcam benötigt, auf die die Webseite zugreifen darf. Das KI-Labor eignet sich im Fach Informatik als Einführung in eine Unterrichtseinheit zu maschinellem Lernen (speziell zu neuronalen Netzen), als Ergänzungsangebot für interessierte Schülerinnen und Schüler oder auch als fachlicher Anknüpfungspunkt für eine Einheit in einem anderen Fach, wenn es beispielsweise um ethische oder wirtschaftliche Fragen der KI geht. Das Thema "Künstliche Intelligenz" im Unterricht Künstliche Intelligenz ist an vielen Stellen völlig alltäglich geworden. Meistens sind diese Systeme aber nur Black-Boxen in unserem Alltag und es fällt schwer, mehr über die Funktionsweise herauszufinden. Gleichzeitig sind die Themen, wenn man sie unterrichtlich behandeln möchte, mathematisch zu anspruchsvoll für den Schulunterricht, so dass nur ein oberflächlicher Zugang zur eigentlichen Funktionsweise möglich ist. Genauso ist das Umsetzen von existierender Software in eigenen Programmen zwar im Unterricht möglich, aber nur für leistungsstarke Lerngruppen. Durch das KI-Labor wird eine Möglichkeit geschaffen, mit dieser Software zu interagieren, ohne sie selbst entwickeln zu müssen. Man kann mit Systemen experimentieren und so einen Zugang zu deren Funktionsweisen erhalten, ohne die Funktion im Detail verstehen zu müssen. Vorkenntnisse der Schülerinnen und Schüler Schülerinnen und Schüler benötigen kein spezielles Vorwissen, sie können dieses aber – wenn sie es mitbringen – nutzen, um mit einem anderen Blick auf die Beispiele zu schauen. Digitale Kompetenzen, die Lehrende zur Umsetzung der Unterrichtseinheit benötigen Abgesehen von der fachlichen und fachdidaktischen Expertise über die informatischen Aspekte des maschinellen Lernens ist nur die Bedienung eines Browsers notwendig. Didaktisch-methodische Analyse Das KI-Labor ist entweder als selbstständige Lernumgebung oder als Ergänzung zu einer Unterrichtseinheit gedacht. Als Einstieg lässt sich mit dem vortrainierten Modell zunächst erleben, dass die Erkennung gut funktioniert, gleichzeitig aber in ihrer Anwendung stark fokussiert ist. Die Spezialisierung ist ein typisches Merkmal moderner KI. Gleichzeitig kann man die statistischen Ausgaben, die typisch für neuronale Netze sind, sehen und so etwas über die Funktionsweise erfahren. Ist bereits Vorwissen vorhanden, beziehungsweise wird das Training von neuronalen Netzen unterrichtlich thematisiert, so können durch das selbst trainierbare Modell verschiedene Parameter untersucht und exploriert werden, beziehungsweise Themen des Unterrichts ganz konkret auf einem realen Datensatz erprobt werden. Ist keine Unterrichtseinheit geplant, so kann durch die entsprechenden Kapitel des MOOCS "Elements of AI" der Hintergrund für interessierte Schülerinnen und Schüler dennoch zugänglich gemacht werden. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler analysieren Verfahren des maschinellen Lernens. bewerten, wie und unter welchen Umständen ein Verfahren des maschinellen Lernens zu einer Entscheidung kommt. erklären, wie ein Verstärkungsalgorithmus für die KI eines einfachen Brettspiels funktioniert. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler kennen und verstehen Funktionsweisen und grundlegende Prinzipien der digitalen Welt. erkennen und formulieren algorithmische Strukturen in genutzten digitalen Tools. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler kommunizieren über informatische Themen. 21st Century Skills Die Schülerinnen und Schüler üben sich in kritischem Denken.

Zunächst lernen die Schülerinnen und Schüler in dieser Unterrichtseinheit die Unterschiede zwischen der Bewegungsrichtung von Elektronen (Minus nach Plus) und der willkürlich festgelegten technischen Stromrichtung (Plus nach Minus) kennen, was bei Schaltbildern und mathematischen Berechnungen sehr wichtig wird. Zudem werden die unterschiedlichen, den Transistor beschreibenden Kennlinien besprochen und in der Dreiquadranten-Darstellung aufgezeigt.An einfachen Beispielen werden die Lernenden mit Schaltskizzen und den jeweiligen Strom- und Spannungsverläufen in Abhängigkeit von der technischen Stromrichtung vertraut gemacht. Mit Widerständen können dabei die Stromstärken und Spannungen so gewählt werden, wie es für die Strombegrenzung und den zugehörigen Spannungsabfall nötig ist. Durch Auswertung vorgegebener Wertetabellen lernen die Schülerinnen und Schüler unter anderem, welche Bedeutung Begriffe wie Eingangskennlinie, Stromsteuerkennlinie und Ausgangskennlinie für die Basisstromstärke und die Kollektorstromstärke in Hinblick auf den Verstärkungsfaktor B haben. Halbleiterphysik und Bipolartransistoren als Unterrichtsthema Ohne Transistoren wäre die für uns alle selbstverständliche digitale Technologie nicht möglich, die auch von Laien ohne Kenntnis der dafür notwendigen Technik und Infrastruktur mit etwas Übung problemlos bedient werden kann. Dennoch sollten Schülerinnen und Schüler in dieser hochtechnisierten Welt mit einer Vielzahl von neuen Berufen im Hochtechnologiesektor einen Einblick in die grobe Funktionsweise im Rahmen des Schulunterrichts bekommen. Vorkenntnisse Grobe Vorkenntnisse können von Lernenden erwartet werden, die sich von klein an mit Elektronik in Form von Baukästen beschäftigt haben – für alle anderen wird die Halbleitertechnologie und im Besonderen der Transistor Neuland sein. Deshalb sollte im Unterricht auf gut nachvollziehbare Beispiele und Anwendungen zurückgegriffen werden. Es bietet sich zudem an, zuvor die Unterrichtseinheit Grundlagen des Bipolartransistors im Unterricht durchzunehmen. Didaktische Analyse Bei der Behandlung dieses Themas muss man darauf achten, dass Schülerinnen und Schüler nicht überfordert werden, was bei der Komplexität vieler Schaltungen mit Transistoren schnell passieren kann. Dies sollte den Teilnehmerinnen und Teilnehmern der Kurse in der Sekundarstufe II vorbehalten bleiben. Methodische Analyse Anhand überschaubarer Schaltskizzen in Verbindung mit Elektronikbaukästen – falls in der Physiksammlung vorhanden – können den Lernenden die Grundzüge der Funktions- und Anwendungsweise gut nähergebracht werden. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen, dass man Transistoren als Schalter und Verstärker sowie vor allem als Speichermedium in extrem miniaturisierter Form für Computer dienen. kennen die verschiedenen Bauweisen von Transistoren (npn-Transistor und pnp-Transistor). können einfache Übungsaufgaben – wie etwa zur Stromverstärkung – erklären und berechnen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten, Hintergründe und Kommentare im Internet. können die Inhalte von Videos, Clips und Animationen auf ihre sachliche Richtigkeit hin überprüfen und einordnen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Partner- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. setzen sich mit den Ergebnissen der Mitschülerinnen und Mitschüler auseinandersetzen und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben genügend fachliches Wissen, um mit anderen Lernenden, Eltern und Freunden wertfrei diskutieren zu können.

Mit diesen Unterrichtsmaterialien sollen vor allem Schülerinnen und Schüler der gymnasialen Oberstufe beziehungsweise junge Auszubildende für den Umgang mit Stress am Arbeitsplatz, in der Schule und in der Freizeit sensibilisiert werden. Im Rahmen der Unterrichtseinheit werden folgende Inhalte vermittelt: Stress und seine Auswirkungen auf den menschlichen Körper Gesundheitsrisiken von Dauerstress Was sind Stressoren? Individuelle Verhaltens- und Bewertungsmuster als Stressverstärker Strategien für ein besseres Stressmanagement in Job und Freizeit Die Lernenden setzen sich mit ihrer eigenen Belastungssituation auseinander. Anhand der Methode "Stationenlernen" finden sie heraus, dass stressige Situationen sehr individuell empfunden werden und in einem hohen Maß von unseren eigenen Bewertungsmustern und Bewältigungsstrategien abhängen. Besondere Anforderungen können uns belasten, uns aber auch auf eine Aufgabe fokussieren, uns wach und aufmerksam werden lassen – je nachdem, wie wir eine solche Anforderung bewerten (als anregend und interessant oder als angstauslösend, weil ungewiss) und mit ihr umgehen. Die Lernenden entdecken Anzeichen von ungesundem Dauerstress sowie den Nutzwert eigener Ressourcen. Sie erarbeiten im Team Lösungen für mehr Stressbewältigungskompetenz. Die Materialien sind für Schülerinnen und Schüler mit mittleren bis hohen Lese- und Verständniskompetenzen konzipiert und branchenübergreifend einsetzbar. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erweitern ihre Kompetenz im Umgang mit Stress, indem sie sich mit ihrer eigenen Belastungssituation auseinandersetzen und Stressursachen erkennen. das eigene Stressverhalten analysieren. Lösungsmaßnahmen für einen besseren Umgang mit Stress erarbeiten. begreifen, dass Stressursachen in vorhandenen Bedingungen und/oder im eigenen Verhalten zu suchen sind und es dementsprechend für die Bewältigung der Stressursachen diese zwei Wege gibt. Methodenkompetenz Die Schülerinnen und Schüler festigen und erweitern ihre Methodenkompetenz, indem sie im Team selbstständig Informationen anhand der Unterrichtsmethode "Stationenlernen" erarbeiten, recherchieren, diskutieren und präsentieren. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler stärken ihre Sozialkompetenz, indem sie bei der gemeinsamen Erarbeitung von Inhalten lernen, sich gegenseitig bei Lernschwierigkeiten zu helfen. Selbstkompetenz Die Schülerinnen und Schüler stärken ihr Selbstkompetenz, indem sie begreifen, dass sie für ihren Umgang mit Stress selbst Verantwortung übernehmen müssen. über Ihre eigenen Stärken und Schwächen reflektieren.

In dieser Unterrichtssequenz erarbeiten die Lernenden die Bedeutung von Geräuschen in Hörspielen und Videos, diskutieren medienhistorisch die Entwicklung des "Tons" und erzeugen selbst mit einfachen Mitteln effektvolle Geräusche.Auf jedem historischen Entwicklungsstand arbeiteten Medien mit der Hinterlegung von Geräuschen, was bis heute gilt. Geräusche liefern Informationen, beeinflussen Befinden, lösen Emotionen aus und verstärken Bilder. Die Unterrichtssequenz stellt die Praxis in den Vordergrund: Die Schülerinnen und Schüler erraten Geräusche, probieren "Rezepte" zur Geräuschherstellung aus, nehmen Geräusche auf und synchronisieren ein Video nach. Dazu gibt es Informationen zu aufmerksamen Hören, Gestaltung und Wirkung sowie zur Geschichte der Tontechnik, die situationsbezogen aufgegriffen werden können. Das Thema "Geräusche" im Unterricht Zum einen ist es ein Lernziel, aktives (Zu-)Hören zu stärken und die Wirkung von Gehörtem zu erkennen. Zum anderen sind Geräusche, Sprache und Musik gleich wichtige Bestandteile der "Tonspur" von Filmen und Videos. Der Workshop ist ein Grundbaustein zur Vertonung, auf den die Schülerinnen und Schüler später aufbauen und lernen können, komplette Filme und Videos abzumischen und zu synchronisieren. Die Grundlagen machen Kindern Spaß, bieten kreative Entfaltungsmöglichkeiten und münden in die technische Verarbeitung mit Bedienung betreffender Software. In den Materialien finden Sie für Ihren Informationshintergrund als Lehrkraft auch einen kurzen mediengeschichtlichen Abriss. Die Materialien sind in drei Blöcke gegliedert: Block 1 – Einführung für Lehrkräfte: Mediengeschichtlicher Abriss, Lernziele, notwendiges Material und Infrastruktur, didaktische Reduktion Block 2 – Die Unterrichtsphasen als Leitfaden – Durchführung der Unterrichtssequenz Block 3 - Facts Sheet mit Informationen zur professionellen Geräuschherstellung (in Medien und in der Industrieproduktion), Protokollbogen für die Hausaufgabe, Ausfüllbogen für ein Storyboard Didaktische Analyse Die Unterrichtssequenz vermittelt Kompetenzen zu einem Abschnitt des Medienproduktions-Prozesses, in dem kreative und technische Kompetenzen zum Tragen kommen. Methodische Analyse In dieser Unterrichtssequenz steht die praktische Durchführung (Geräusche herstellen, Film synchronisieren) im Vordergrund. In diesen Rahmen wird die Vermittlung von Wissen zur Medienwirkung eingebunden. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler differenzieren "Ton" in auditiven und audiovisuellen Medien und unterscheiden nach Geräuschen, Musik und Sprache. verstehen die unterstützende Funktion von Geräuschen für die Darstellung der Medieninhalte und die Wirkung auf die Zuhörer und Zuschauer. wissen, dass Geräusche für Medien getrennt produziert und nachsynchronisiert werden. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler hören aktiv (zu). lernen und erproben einfache Methoden zur Erzeugung effektvoller Geräusche. nehmen Geräusche digital auf, speichern sie und synchronisieren Hörspiele und Filme nach. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler arbeiten bei der Geräusch-Herstellung in der Gruppe zusammen und festigen die Teamarbeit. praktizieren kreative Ideenfindung zur Entwicklung von Rezepten für Geräusch-Herstellung. erfahren, wie Zusammenarbeit zu einem wirkungsvollen Gesamtwerk führt.

Mithilfe von Animationen und interaktiven Arbeitsblättern setzen sich die Schülerinnen und Schüler mit dem Lernbereich „Druck und seine Wirkungen“ auseinander. Auch der Bereich „Physik an Kraftfahrzeugen“ wird teilweise abgedeckt.Zuerst wird die Entstehung des Kolbendrucks anhand des Teilchenmodells der Körper erklärt. Bei der Modellbildung spielt der Unterschied zwischen den Teilchen eines Gases und einer Flüssigkeit die entscheidende Rolle. Es folgen interaktive Übungen zu Druck, Fläche und Kraft. Den zweiten Schwerpunkt bilden Übungsaufgaben an verschiedenen hydraulischen Anlagen. Aufbau und Funktionsweise werden hierbei mittels Computeranimationen erklärt (interaktive VRML-Dateien, für ?Plugin-Muffel? auch animierte GIFs und Flash-Dateien). Zum Schluss werden Anwendungen an der hydraulischen Bremsanlage von Personenkraftwagen behandelt. Dabei kann dieser Zusammenhang ebenfalls als Computeranimationen veranschaulicht und interaktiv gestaltet werden. Einsatz im Unterricht Der Einsatz der Sammlung von interaktiven Übungen und 3D-Animationen zur Hydraulik sollte unterrichtsbegleitend erfolgen. Nach der Behandlung des jeweiligen Themas im Unterricht (Arbeitsblätter als Word-Dokumente im Download-Paket "hydraulik_materialien.zip") können Übungsphasen im Computerkabinett den Unterricht lebendiger gestalten und zur Binnendifferenzierung genutzt werden. Die Verwendung der 3D-Animationen soll dabei die Anschaulichkeit und somit das Verständnis erhöhen und durch die Visualisierung der gewählten Aufgabenstellung die Motivation steigern. Hinweise zur Nutzung der interaktiven Arbeitsblätter Wenn die Schülerinnen und Schüler die Arbeit mit interaktiven Arbeitsblättern noch nicht gewohnt sind, hat sich der Einsatz des Beamers bei der Einführung bewährt. Ein Hinweis auf die Notwendigkeit einer korrekten Schreibweise und der korrekten Anwendung der Rundungsregeln führt zu erhöhter Konzentration und weniger Frusterlebnissen, wenn Fragen inhaltlich richtig aber mit fehlerhafter Rechtschreibung beziehungsweise falscher Rundung beantwortet wurden. Auch Partnerarbeit von Lernenden mit guten Deutschkenntnissen zusammen mit Schülerinnen und Schülern, welchen die deutsche Sprache schwer fällt (Integrationskinder), ist hier gut möglich. Hilfen Im Hilfeteil der Materialien ("p6" im linken Menü) werden noch einmal alle zur Bearbeitung der Aufgaben notwendigen fachlichen Informationen in Form von Links zu Online-Nachschlagewerken angeboten. Ein interaktives Kreuzworträtsel dient der Binnendifferenzierung. Hier finden Sie auch die Möglichkeit zum Plugin-Download sowie eine kurze Bedienungsanleitung. Technische Hinweise Um die 3D-Modelle öffnen zu können, ist ein VRML-Plugin nötig. Alle animierten GIFs und interaktiven 3D-Animationen der verwendeten Übungen wurden vom Autor der Unterrichtseinheit mithilfe des 3D-CAD-Programmes FluxStudio erzeugt. Dieses Programm ist für die pädagogische Arbeit als Freeware verfügbar (~ ~http://www.sn.schule.de/~ms16l/virtuelle_schule/Projektwoche_2008/index_projekt.htm~~).Die Schülerinnen und Schüler sollen Einblick gewinnen in Arten des Drucks. den Druck eingeschlossener Gase als Folge der Teilchenbewegung kennen. den Einfluss von Kraft und Fläche beherrschen. Möglichkeiten der Änderung des Druckes anwenden. die Funktion hydraulischer Bremsen beschreiben können. Einblick in die Funktion von Bremskraftverstärkern bekommen.

In dieser Materialsammlung finden Sie Unterrichtsmaterialien rund um die Erneuerbaren Energien – Wasserkraft, Windenergie und Sonnenenergie. Erneuerbare Energien aus nachhaltigen Quellen wie Wasserkraft, Windenergie, Sonnenenergie, Biomasse und Erdwärme sind zum Schlagwort schlechthin der internationalen Klimabewegung geworden. Im Gegensatz zu fossilen Energieträgern wie Erdöl, Erdgas, Stein- und Braunkohle sowie dem Uranerz verbrauchen sich diese Energiequellen nicht. Erneuerbare Energien sollen in Deutschland zukünftig den Hauptanteil der Energieversorgung übernehmen – bis zum Jahr 2050 soll ihr Anteil an der Stromversorgung mindestens 80 Prozent betragen. Im Jahr 2020 betrug ihr durchschnittlicher Anteil pro Jahr an der Nettoostromerzeugung über 50 Prozent. Die erneuerbaren Energien müssen daher kontinuierlich in das Stromversorgungssystem integriert werden, damit sie die konventionellen Energieträger mehr und mehr ersetzen können. Schon im alten Ägypten und im römischen Reich wurde die Wasserkraft als Antrieb für Arbeitsmaschinen wie Getreidemühlen genutzt. Im Mittelalter wurden Wassermühlen im europäischen Raum für Säge- und Papierwerke eingesetzt. Seit Ende des 19. Jahrhunderts wird aus Wasserkraft Strom erzeugt. Heute ist die Wasserkraft eine ausgereifte Technologie und weltweit neben der traditionellen Biomassenutzung die am meisten genutzte erneuerbare Energiequelle. Die Windenergie als Antriebsenergie hat bereits eine lange Tradition. Windmühlen wurden zum Mahlen von Getreide oder als Säge- und Ölmühle eingesetzt. Moderne Windenergieanlagen gewinnen heute Strom aus der Kraft des Windes. Sie nutzen den Auftrieb, den der Wind beim Vorbeiströmen an den Rotorblättern erzeugt – heute hat die Windenergie einen Anteil von über 25 Prozent an der deutschen Stromversorgung. Aus der Sonnenenergie kann sowohl Wärme als auch Strom gewonnen werden. Photovoltaikmodule auf dem Dach oder auf großen Freiflächen wandeln mithilfe von Halbleitern wie Silizium das Sonnenlicht in elektrische Energie um. Mit Solarkollektoren , in denen Flüssigkeit zirkuliert, wird Wärme zum Heizen und zur Warmwasserbereitung sowie für Klimakälte gewonnen. Eine dritte Technologie macht es möglich, Strom, Prozesswärme und Kälte durch die Konzentration und Verstärkung der Sonnenstrahlen zu erzeugen. Dabei wird in solarthermischen Kraftwerken das Sonnenlicht mit Reflektoren gebündelt und auf eine Trägerflüssigkeit gelenkt, die dadurch verdampft. Mit dem Dampf können dann ein Generator oder eine Wärme- und Kältemaschine betrieben werden. Biomasse ist ein vielseitiger erneuerbarer Energieträger und wird in fester, flüssiger und gasförmiger Form zur Strom- und Wärmeerzeugung und zur Herstellung von Biokraftstoffen genutzt. Pflanzliche und tierische Abfälle kommen genauso zum Einsatz wie nachwachsende Rohstoffe , zum Beispiel Energiepflanzen oder Holz . Die größte Bedeutung kommt der Bioenergie in Deutschland aktuell beim Heizen zu – aber auch für die Stromerzeugung und als Biokraftstoff kommt Biomasse zum Einsatz. Unter Geothermie (Erdwärme) versteht man die Nutzung der Erdwärme zur Gewinnung von Strom, Wärme und Kälteenergie. Die Temperaturen im Erdinneren erwärmen die oberen Erdschichten und unterirdischen Wasserreservoirs. Mithilfe von Bohrungen wird diese Energie erschlossen. Bei einer Erdwärmenutzung in bis zu 400 Metern Tiefe ("oberflächennah") nutzt eine Wärmesonde in Kombination mit einer Wärmepumpe das unterschiedliche Temperaturniveau zwischen Boden und Umgebungsluft. In tieferen Schichten wird heißes Wasser und Wasserdampf zur Stromerzeugung und für Fernwärmenetze gewonnen.