↯ Elektrischer Strom
Der elektrische Strom, oft auch nur Strom, ist eine physikalische Erscheinung der Elektrizitätslehre. In der alltäglichen Bedeutung des Begriffs ist damit der Transport von elektrischen Ladungsträgern gemeint, also beispielsweise von Elektronen in Leitern oder Halbleitern oder von Ionen in Elektrolyten.
Erfinder Rolf Winter vom Institut für Physik der Uni Potsdam. Alessandro Volta erfand um 1775 die erste funktionierende Batterie. Sie erzeugt durch chemische Reaktionen einen Strom.29.04.2008
Wirkungen
Man unterscheidet zwischen vier verschiedenen Wirkungen des elektrischen Stromes: Wärmewirkung, Leuchtwirkung, magnetische Wirkung und chemische Wirkung.
Wirkungen des elektrischen Stroms
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Einheiten: Die Standard SI-Einheiten für die Messung von Spannung, Strom und Widerstand sind Volt [ V ], Ampere [ A ] und Ohm [ Ω ].
Fließrichtung: Auf den meisten Schaltbildern verwendet man jedoch die technische Stromrichtung, auch wenn das physikalisch falsch ist. Das bedeutet, man geht davon aus, dass die Fließrichtung für den Strom so ist, dass sich die Protonen vom Pluspol zum Minuspol bewegen.
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Heizen und Kühlen mit Solarstrom und Luft: Wie funktionieren Wärmepumpen?Wärmepumpen nutzen Umweltwärme aus Luft, Wasser oder Erde und sind klimafreundlich.
Aber wie funktionieren sie überhaupt?
Warum braucht es Kältemittel und was sind die Tricks?
Eine Wärmepumpe macht sich Wärme aus der Umwelt zunutze und nutzt das Prinzip der Verdunstungskälte, um zu heizen. Wer schwitzt oder ein nasses Tuch auf die Haut legt, kennt den Effekt: Wenn das kalte Wasser verdunstet, also gasförmig wird, wird es kühler auf der Haut. Das physikalische Prinzip: Beim Übergang von Wasser zu Dampf benötigen die Wassermoleküle viel Energie. Die entziehen sie der Umgebung - in diesem Fall der Haut. Darum wird es kühler auf der Haut. Umgekehrt wird die Wärmeenergie wieder freigesetzt beim Übergang von Dampf zu Flüssigkeit.
Wärmepumpen, Kühlschränke und Klimaanlagen nutzen diese Übergänge. In einem geschlossenen Rohrsystem zirkuliert dabei ein spezielles Kältemittel. Solche Kältemittel verdampfen schon bei sehr niedrigen Temperaturen, teils bei unter minus 50 Grad Celsius.
Durch die Umgebungswärme etwa aus dem Erdreich oder aus der Luft wird dem Kältemittel Wärme zugeführt und es verdampft innerhalb des Kreislaufs. Das gasförmige Kältemittel wird dann in einem Kompressor verdichtet. Dadurch erhöht sich die Temperatur im Kältemittel weiter. Anschließend wird das Kältemittel wieder verflüssigt, dabei wird Wärme an das Heizungswasser abgeben und zur Gebäudeheizung genutzt.
Infografik: So funktioniert eine Wärmepumpe
Wasser-, Luft- oder Erdwärmepumpen: Was ist besser?
Es gibt verschiedene Arten von Wärmepumpen, sie alle funktionieren nach demselben Prinzip und entziehen entweder dem Wasser, dem Erdreich oder der Luft Wärmeenergie.
Für Wasser-Wärmepumpen kann zum Beispiel Grundwasser oder das Wasser in Flüssen oder Seen verwendet werden. Luft-Wärmepumpen laufen mit normaler Außenluft oder können heiße Abluft aus der Industrie oder Rechenzentren nutzen.
Für Erdwärmepumpen werden Sonden bis zu 150 Meter tief in den Boden verlegt oder ein Rohrnetz dicht unter der Oberfläche. Je tiefer die Rohre in die Erde, desto wärmer wird es. Erd- und Grundwasserwärmepumpen sind effizienter, aber teurer. Luftwärmepumpen funktionieren dafür fast überall, können allerdings etwas laut sein.
Beim Betrieb einer Wärmepumpe im Grundwasser kühlt dieses übrigens um etwa vier Grad ab, bei einer Luftwärmepumpe sinkt die Temperatur der Umgebungsluft um etwa 10 Grad.
Infografik Wärmepumpe: Heizen mit Umweltwärme mit Sonden, Abwasser, Wasser, Luft, Erde
Können Wärmepumpen auch im kalten Winter heizen?
Ja. Auch an kalten Wintertagen ist in der Erde, der Umgebungsluft oder im Grundwasser genug Wärme, um ein Gebäude zu heizen. In Skandinavien etwa heizen viele Menschen auch im Winter mit Luftwärmepumpen. Diese entziehen bei bis zu -20 Grad noch Wärmeenergie aus der Luft. Allerdings sind Wärmepumpen dann nicht so effizient wie bei höheren Außenlufttemperaturen und sie brauchen mehr Strom. Zur Sicherheit haben Wärmepumpen zudem elektrische Ergänzungsheizungen, die bei jeder Temperatur funktionieren.
Wieviel Strom brauchen Wärmepumpen?
Auch wenn die meiste Energie aus der Umgebung genommen wird: Wärmepumpen brauchen zusätzlichen Strom, um den Elektromotor für Kompressor, Pumpen und Ventilatoren zu betreiben. Bei guten Bedingungen können dabei mit einer Kilowattstunde von Antriebsstrom rund sechs Kilowattstunden Wärme gewonnen werden. Eine gedämmte Wohnung von 80 Quadratmeter braucht dann weniger als 1000 Kilowattstunden Strom pro Jahr.
In älteren Häusern erzeugen in Deutschland laut einer Studie von Fraunhofer-ISE Luft-Wärmepumpen aus einer Kilowattstunde Strom rund drei Kilowattstunden Wärme. Mit Grundwasser als Wärmequelle wird im Schnitt viermal so viel Wärme erzeugt.
Optimal sind gut gedämmte Gebäude mit Fußbodenheizung oder großen Heizkörpern. Die Temperatur des Heizungswassers kann dann sogar unter 30 Grad Celsius liegen. "Jedes Grad weniger für die Temperatur des Heizungswassers verbessert die Effizienz der Wärmepumpe um 3,5 Prozent", sagt Werner Schenk, Experte für Wärmepumpen an der Hochschule München der DW
Grundsätzlich können handelsübliche Wärmepumpen Heiztemperaturen von über 70 Grad erzeugen und damit auch ungedämmte Häuser mit alten Heizköpern heizen. Doch der Stromverbrauch für den Antrieb ist dann deutlich höher.
Wärmepumpearten im VergleichWärmepumpen sind effiziente, umweltfreundliche Heizungssysteme. Aber: Nicht jede Wärmepumpe ist für jede Anwendung sinnvoll. Das bedeutet für alle, die eine Wärmepumpe planen, die vorhandenen Wärmepumpen-Systeme zu vergleichen, um dann die richtige Entscheidung treffen zu können.
Für eine valide Entscheidung müssen die Wärmepumpen anhand umfangreicher Kriterien verglichen werden. Dabei geht es zum Beispiel um den jeweiligen Einsatzzweck: Geht es um ein neues Bauprojekt oder um die Sanierung bzw. Modernisierung eines bestehenden Gebäudes? Passt die Wärmepumpe zum Gebäude: Ist zum Beispiel genügend Platz innen oder außen für die Wärmepumpe vorhanden bzw. kann eingeplant werden? Wie ist die jeweilige Jahresarbeitszahl bzw. wie effizient arbeitet die Wärmepumpe?
Natürlich geht es neben den technischen Faktoren auch um die Frage, welche Wärmepumpe den Vergleich hinsichtlich der Anschaffungskosten für sich entscheidet? Gerade bei Wärmepumpen kommt es hier auch noch auf die jeweilige Wärmequelle an. Hier unterscheiden sich die Kosten erheblich. Weitere Faktoren, die in Betracht gezogen werden sollten, sind auch die Lärmentwicklung der Pumpe oder ob die Pumpe auch zur Kühlung des Gebäudes im Sommer genutzt werden kann.
Hier im Überblick zu jeder Wärmepumpe die Fakten.
Luft-Wasser-WärmepumpeBei Luft-Wasser-Wärmepumpen muss vorab unterschieden werden, ob die Wärmepumpe innen oder außen aufgestellt wird.
Luft-Wasserwärmepumpen sind wie alle anderen Wärmepumpen auch selbstverständlich für Neubauten geeignet. Gerade bei gut gedämmten Effizienzhäusern können Luftwärmepumpen trotz der im Vergleich niedrigeren Effizienz-Kennzahl COP sehr gut eingesetzt werden. Luftwärmepumpen sind aber auch bei umfangreichen Sanierungsmaßnahmen oder einer einfachen Heizungsmodernisierung einsetzbar.
Die Luft-Wasser-Wärmepumpe ist besonders flexibel.
Wärmepumpen, die außen aufgestellt werden, benötigen im Haus nur sehr wenig Platz. Für innen aufgestellte Luftwärmepumpen muss jedoch entsprechender Raum eingeplant werden. Auch die notwendigen Mauerdurchbrüche müssen möglich sein. Sowohl bei außen aufgestellten Wärmepumpen als auch innen aufgestellten könnten die Geräusche der Pumpe stören, zumal gerade bei niedrigeren Temperaturen die Pumpe große Luftmengen umwälzt.
Luftwärmepumpen haben einen großen Vorteil: Sie sind die günstigste Variante, wenn man die gesamten Investitionskosten vergleicht, zumal keine Kosten für Erdsonden oder Bohrungen anfallen. Die Leistungszahlen von Luft-Wärmepumpen sind dagegen niedriger als bei Sole-Wasser- und Wasser-Wasser-Wärmepumpen.
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Sole-Wasser-WärmepumpeBei Sole-Wasser-Wärmepumpen wird die Erdwärme als Wärmequelle genutzt. Dabei werden entweder Erdkollektoren zur Wärmegewinnung eingesetzt oder aber Erdsonden. Beide Arten von Erdwärmepumpen sind selbstverständlich für Neubauten geeignet. In bestehenden Gebäuden hängt der Einsatz von Sole-Wasser-Wärmepumpen stark von den Gegebenheiten vor Ort ab: Ist genügend Platz für Erdkollektoren vorhanden bzw. können problemlos Bohrungen für Erdsonden vorgenommen werden?
Schema einer Sole-Wasser Wärmepumpe
Damit ist auch klar, dass bei Sole-Wasser-Wärmepumpen der entsprechende Platz vorhanden sein muss. Die Kosten für Sole-Wasser-Wärmepumpen sind angesichts des hohen Installationsaufwands und der ggf. notwendigen teuren Erdbohrung hoch. Dafür sind allerdings die COP-Zahlen deutlich höher als bei Luftwärmepumpen, ein Vorteil für Anwendungen im Altbau.
Erdwärme macht Sinn: Sie ist immer und überall verfügbarWasser-Wasser-WärmepumpeWasser-Wasser-Wärmepumpen nutzen die Wärme von Grundwasser als Umweltwärme. Auch hier gilt, was für alle Wärmepumpen gilt: Wasser-Wasser-Wärmepumpen sind insbesondere für Neubauten geeignet. Der Einsatz von Grundwasserpumpen bei Modernisierungen kann eingeschränkt sein, zumal Bohrungen notwendig sind und für diese umfangreiche, behördliche Genehmigungen eingeholt werden müssen.
Zur Wasser-Wasser-Wärmepumpe gehören zwei Brunnen
Auch bei Grundwasserpumpen muss im Haus der entsprechende Platz für die Aufstellung eingeplant werden. Die Kosten liegen angesichts der teuren Erschließung der Wärmequelle (Grundwasserbohrung) auf einem ähnlichen Niveau wie bei Erdwärmepumpen. Wasser-Wasser-Wärmepumpen punkten mit der höchsten Effizienz bei Wärmepumpen.
Lohnt sich Solarstrom für die Wärmepumpe?Ja. Solarstrom vom Hausdach ist viel günstiger als aus dem Stromnetz und zudem klimafreundlich. Allerdings erzeugen Solarmodule während der Heizperiode im Winter viel weniger Strom als im Sommer. Dann werden mehr Solarmodule für dieselbe Strommenge gebraucht - oder man muss Strom dazukaufen.
Luft-Wärmepumpe auf dem Dach, daneben Solarkollektoren
Sehr günstige Kombination: Der Betrieb von Wärmepumpen mit Solarstrom vom Dach
Kann eine Wärmepumpe kühlen?Ja. Moderne Wärmepumpen können umschalten und dann auch kühlen. Die Wärmeenergie aus Gebäuden wird dann zum Beispiel in die Luft oder ins Grundwasser geleitet. Umgekehrt können moderne Klimaanlagen auch heizen.
Besonders effiziente gekühlt werden kann vor allem mit Grundwasser und Erdwärme ohne Kompressor. Dabei wird mit 1 kWh Strom bis zu 100 kWh Wärme aus dem Gebäude aufgenommen und diese in den Untergrund geleitet.
Sind Kältemittel klimaschädlich?
Die meisten ja. Bislang werden vor allem chemisch hergestellte Kältemittel (HFKW) in Wärmepumpen und Klimaanlagen eingesetzt und diese sind bis zu 4000-mal klimaschädlicher als CO2. Durch Leckagen und falsche Entsorgung gelangen die sogenannten F-Gase in die Atmosphäre. Zunehmend werden darum inzwischen mehr Wärmepumpen mit den klimafreundlichen Kältemitteln Propan, CO2 oder Ammoniak verkauft. Die EU schreibt zudem vor, dass in den nächsten Jahren zunehmend umweltfreundliche Kältemittel in Wärmepumpen und Klimaanlagen eingesetzt werden müssen.
Seit der deutsche Strommarkt in den frühen 2000er-Jahren liberalisiert wurde und Kunden erstmals den Anbieter wechseln konnten, wird Strom an der Börse gehandelt. Allerdings: Wenn auch nur einen Moment lang weniger produziert als verbraucht wird, droht ein Blackout. Darum musste der Handel sehr speziell organisiert werden.
Da gibt es zunächst den kontinuierlichen Handel. Wenn Verbrauch und Produktion auch nur geringfügig abweichen, wird die Differenz in Schritten von 15 Minuten bestellt und geliefert. Den Endkundenpreis beeinflusst das kaum. Der größere Teil des Stromes wird einmal täglich für den nächsten Tag versteigert. Je nach Konjunktur und Wetter wird geschätzt, wie viel Strom morgen benötigt wird, und es werden Angebote eingeholt.
Strom sparen So teuer ist der Stand-by-Modus
Ungenutzte Elektrogeräte im Stand-by-Betrieb kosten deutsche Haushalte 504.000 Euro in der Stunde.
Preis des teuersten Kraftwerks müssen alle zahlen
Da bieten zunächst die billigsten Kraftwerke an: Atomkraftwerke, deren hohe Investitionskosten längst abgeschrieben und deren Kosten für Brennstäbe und Betrieb minimal sind. Oder Braunkohlekraftwerke, die ihren Brennstoff für nicht mal drei Cent pro Kilowattstunde aus der Erde graben. Darin sind die Kosten für die mittlerweile zum Klimaschutz eingeführten CO2-Zertifikate schon eingerechnet.
Wenn mehr Strom benötigt wird, kommen am Ende die teuersten, meist gasbetriebenen Kraftwerke zum Zug. Und dann folgt eine Besonderheit, die nun die Preise explodieren lässt: Am Ende bekommt jeder den Preis, den das teuerste Kraftwerk verlangt hat. Jeder, egal, wie billig sein Brennstoff auch ist, erhält den Preis des teuersten Kraftwerkes. Und der ist immer wieder um mehr als das Zehnfache höher als die tatsächlichen Kosten.
Diese Art der Preisbildung nennt sich "Merit Order". Jahrzehntelang hat sie funktioniert, sogar Preise gesenkt. Je mehr Strom aus Wind und Sonne auf den Markt kam, desto seltener kamen die teuersten Kraftwerke zum Zuge. Der Börsenpreis sank. Immerhin konnten Betreiber von Braunkohle- und Atomkraftwerken noch Preise erzielen, mit denen respektabler Gewinn übrig blieb.
Wasserdampf steigt aus den Kühltürmen des Braunkohlekraftwerks Jänschwalde in der Lausitz auf. | dpa
Wichtigster Energieträger Kohle löst Windkraft ab
Die Stromerzeugung in Deutschland durch erneuerbare Energien ist 2021 um knapp acht Prozent gesunken.
Gewinn bei RWE steigt um zwei Drittel
Doch das Blatt hat sich gewendet. Wie sehr, zeigt der kürzlich veröffentlichte Jahresbericht des größten deutschen Stromerzeugers RWE: Der Gewinn seiner Atom- und Kohlekraftwerke hat sich um 330 Millionen Euro erhöht - ein Plus von fast 70 Prozent. Und das, obwohl der preistreibende Effekt des teuren Gases erst ab Oktober begann.
Angesichts der politischen Weltlage ist absehbar, dass Gas noch lange teuer bleibt. So können RWE und andere Kraftwerkbetreiber im laufenden Jahr mit noch deutlich höheren Gewinnen rechnen, die in den kommenden Jahren kaum wieder sinken werden.
Häuser einer Stadt ohne Licht in der Abenddämmerung | picture alliance/dpa
Möglicher Stromausfall Bei einem Blackout droht der Kollaps
Sollte es in Deutschland zu einem längeren Stromausfall kommen, hätte das katastrophale Folgen.
Keine Ideen für ein neues Preisbildungssystem
Natürlich wird nur ein Teil des Stromes an der Börse gehandelt. Ein großer Teil wird auch lange im Voraus in festen Verträgen an Stromhändler und Industrie verkauft. Doch der Preis dafür orientiert sich an den Börsenpreisen und ist dementsprechend ähnlich gestiegen. Denn: Wer würde etwas langfristig billig verkaufen, wenn er es kurzfristig viel teurer an der Börse verkaufen kann.
Und: Auch Betreiber von Windparks und Großsolaranlagen profitieren. Während Besitzer kleiner Solardächer mit der vergleichsweise kleinen gesetzlichen EEG-Vergütung "abgespeist" werden, erhalten Betreiber von Großanlagen seit einigen Jahren den Börsenpreis. Allerdings: Weil dies im EEG-Gesetz geregelt ist, wird im Bundeswirtschaftsministerium seit Monaten diskutiert, diese Extra-Gewinne wieder zu kappen, eine Obergrenze für diesen Strompreis zu definieren.
Für konventionelle Kraftwerke gilt das nicht. Ihr Preis ist nicht gesetzlich geregelt, jede Begrenzung wäre ein Eingriff in einen freien Markt und entsprechend verpönt. Gleichzeitig warnen selbst kritische Beobachter des Marktes: Würde man einen gesetzlichen Höchstpreis festlegen, die Gewinne künstlich kappen, würde der Anreiz fehlen, in teure, neue Technologie zu investieren, die für die Energiewende benötigt wird.
Blick auf die Blöcke A-E des Braunkohlekraftwerks Neurath | picture alliance / Goldmann
Versorgungssicherheit RWE prüft Kraftwerke für Energiereserve
RWE will den Bund bei seinen Bemühungen um mehr Unabhängigkeit unterstützen.
Extra-Steuer auf überhöhte Einnahmen?
Aber warum erhalten Kraftwerke nicht einfach den Preis, für den sie ursprünglich angeboten haben - und eben nicht mehr den Preis des teuersten Kraftwerks? Das würde wenig bringen. Man kann gut schätzen, wie viel Strom morgen benötigt wird, wie teuer dann das teuerste Kraftwerk wäre, und würde einfach immer nur zu diesem hohen Preis anbieten.
Die einzige bislang hilfreich klingende Idee, wurde vor knapp zwei Wochen sehr leise aus dem Bundeswirtschaftsministerium geäußert: Man lässt den Preisbildungsmechanismus wie er ist und führt ein Extra-Steuer auf überhöhte Gewinne der Kraftwerksbetreiber ein. Die Einnahmen daraus könnten - ähnlich wie die EEG-Umlage - in den Gesamt-Topf der Strompreise zurückfließen und den Preis senken.
Wasserstoff (H2 in Gasform) ist das häufigste Element in unserem Universum und hat bezogen auf die Masse eine hohe Energiedichte – 1 KG enthält etwa so viel Energie wie 3 KG Benzin. H2 ist leichter als Luft, farb- und geruchlos, verbrennt emissions- und rückstandsfrei. Wasserstoff existiert auf der Erde nicht in Reinform, sondern nur in Verbindungen. Um H2 zu gewinnen, muss Wasser (H2O) durch den Einsatz von Energie (Elektrolyse) in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt werden. Die dafür eingesetzte elektrische Energie wird dabei in chemische Energie umgewandelt und in Wasserstoff gespeichert. Wasserstoff ist also ein Energieträger und keine Energiequelle.
Kommt bei der Elektrolyse Ökostrom zum Einsatz, spricht man von "grünem" Wasserstoff; wird fossiles Erdgas eingesetzt, entsteht mittels Dampfreformierung so genannter "grauer" Wasserstoff, bei dessen Produktion viel CO2 frei wird. Grauer Wasserstoff ist nicht klimaneutral. "Blauer" Wasserstoff ist grauer Wasserstoff, bei dessen Produktion das CO2 abgeschieden und zum Teil im Erdboden gespeichert wird (CCS, Carbon Capture and Storage) – aber eben nur zum Teil. Von "türkisem" Wasserstoff wiederum spricht man, wenn er über die thermische Spaltung von Methan (Methanpyrolyse) hergestellt wird. Statt CO2 entsteht fester Kohlenstoff. Kritiker bewerten unter Verweis auf wissenschaftliche Forschung blauen und türkisen Wasserstoff nicht als klimaneutral.
Zur Speicherung und den Transport von Wasserstoffenergie muss H2 wieder gebunden werden, meist mit CO2 oder Stickstoff (N2). Nachteil: Jeder Umwandlungsprozess kostet wieder Energie.
Wo ist der Einsatz von Wasserstoff sinnvoll? Da, wo Elektrifizierung unwirtschaftlich oder prozesstechnisch nur schwer möglich ist, sagen Experten. Sie haben vor allem die Industrie (Kunststoffproduktion, Stahlerzeugung) Teile des Schwerlastverkehrs (Brennstoffzelle, synthetische Kraftstoffe) und des Wärmemarktes (Industriewärme durch Verbrennen von Wasserstoff) als prädestinierte Verbraucher von grünem Wasserstoff ausgemacht, wo bislang vor allem fossile Energieträger zum Einsatz kommen.
Wie teuer ist die Herstellung von grünem Wasserstoff? Die genauen Kosten sind noch unklar, viele Wasserstofftechnologien noch nicht marktreif und die Erzeugung von grünem Wasserstoff bislang teuer. Fossile Energieträger waren lange Zeit günstiger, doch ihr Kostenvorteil schwindet mit der aktuellen Preisexplosion. Klar ist: Grüner Wasserstoff wird umso günstiger, je günstiger sich Ökostrom erzeugen lässt und je effizienter die Wasser-Elektrolyse wird.
Generell ist Wasserstoff immer ein farbloses Gas. Je nach seinem Ursprung trägt er allerdings verschiedene Farben in seinem Namen.
Grüner Wasserstoff wird durch die Elektrolyse von Wasser hergestellt. Dafür wird Strom aus erneuerbaren Energiequellen verwendet. Grüner Wasserstoff ist deshalb CO2-frei.
Grauer Wasserstoff wird mittels Dampfreformierung meist aus fossilem Erdgas hergestellt. Dabei entstehen rund 10 Tonnen CO2 pro Tonne Wasserstoff. Das CO2 wird in die Atmosphäre abgegeben.
Blauer Wasserstoff ist grauer Wasserstoff, bei dessen Entstehung das CO2 jedoch teilweise abgeschieden und im Erdboden gespeichert wird (CCS, Carbon Capture and Storage). Maximal 90 Prozent des CO2 sind speicherbar.
Türkiser Wasserstoff ist Wasserstoff, der über die thermische Spaltung von Methan (Methanpyrolyse) hergestellt wird. Anstelle von CO2 entsteht dabei fester Kohlenstoff. Das Verfahren der Methanpyrolyse befindet sich derzeit noch in der Entwicklung.
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Fortsetzung folgt ... .. .
Thema: ↯ Strom ↯ Energie ↯ LEIFIphysik ↯ Mechatronik ↯ (Gelesen 9385 mal)
