Energiespeicherung - Physik


Energiespeicherung - Physik
Energiespeicherung - Physik
Einleitung
Energie wird nicht „verbraucht“, sondern nach dem Energieerhaltungssatz von einer Form in eine andere umgewandelt. Ein Energiespeicher nimmt Energie auf, hält sie für eine gewisse Zeit verfügbar und gibt sie später wieder ab. Dabei wird die Energie oft mehrfach umgewandelt: Ein Pumpspeicherkraftwerk wandelt elektrische Energie zunächst in Lageenergie des Wassers und später wieder in elektrische Energie um.
Energiespeicherung ist wichtig, weil Energieangebot und Energiebedarf häufig nicht gleichzeitig auftreten. Das gilt besonders für Windenergie und Solarenergie. Speicher können kurzfristige Schwankungen ausgleichen, Energie für die Nacht bereitstellen oder Reserven für längere Zeiträume bilden.

Lernziele
Nach diesem aiMOOC kannst Du erklären, warum Energie gespeichert wird. Du kannst Speicher nach der gespeicherten Energieform ordnen, einfache Formeln anwenden und Speicher anhand von Wirkungsgrad, Leistung, Kapazität und Speicherdauer vergleichen. Außerdem kannst Du begründet entscheiden, welcher Speicher zu einer bestimmten Anwendung passt.
Physikalische Grundlagen
Energie bleibt erhalten
In einem abgeschlossenen System bleibt die Gesamtenergie erhalten. Reale Speicher geben jedoch nicht die gesamte aufgenommene Energie in der gewünschten Form zurück. Ein Teil wird zum Beispiel durch Reibung, elektrischen Widerstand oder Wärmeleitung in thermische Energie umgewandelt und verteilt sich in der Umgebung.
Der Wirkungsgrad beschreibt den nutzbaren Anteil:
Ein Wirkungsgrad von bedeutet: Von 100 Joule zugeführter Energie werden 80 Joule nutzbar zurückgewonnen.
Energie und Leistung unterscheiden
Die gespeicherte Energie beschreibt, wie viel ein Speicher insgesamt abgeben kann. Die Einheit ist zum Beispiel Joule oder Wattstunde.
Die Leistung beschreibt, wie schnell Energie umgesetzt wird:
Ein Speicher kann also viel Energie enthalten, aber nur eine kleine Leistung liefern. Umgekehrt kann ein Kondensator sehr schnell eine hohe Leistung abgeben, obwohl seine gespeicherte Energiemenge vergleichsweise klein ist.
Wichtige Vergleichsgrößen
| Größe | Bedeutung | Leitfrage |
|---|---|---|
| Speicherkapazität | maximal speicherbare Energie | Wie lange kann der Speicher Energie liefern? |
| Leistung | Energie pro Zeit | Wie schnell kann Energie aufgenommen oder abgegeben werden? |
| Wirkungsgrad | Anteil der nutzbar zurückgewonnenen Energie | Wie groß sind die Verluste? |
| Energiedichte | Energie pro Masse oder Volumen | Wie kompakt ist der Speicher? |
| Selbstentladung | Energieverlust während der Lagerung | Wie gut eignet sich der Speicher für lange Zeiten? |
| Zyklenfestigkeit | mögliche Zahl von Lade- und Entladevorgängen | Wie lange kann der Speicher genutzt werden? |

Formen der Energiespeicherung
Mechanische Speicher
Mechanische Speicher nutzen Lageenergie, Bewegungsenergie, Spannenergie oder Druckenergie.
Lageenergie: Pumpspeicher und Hubspeicher
Beim Pumpspeicherkraftwerk wird Wasser mit elektrischer Energie in ein höher gelegenes Becken gepumpt. Beim Ablassen treibt das Wasser eine Turbine und einen Generator an. Die gespeicherte Lageenergie beträgt näherungsweise:
Je größer die Masse und die Höhendifferenz sind, desto mehr Energie kann gespeichert werden.

Auch Hubspeicher nutzen diese Idee. Statt Wasser wird eine feste Masse angehoben. Das Grundprinzip kannst Du schon mit einem hochgehobenen Schulranzen beobachten.
Bewegungsenergie: Schwungradspeicher
Ein Schwungradspeicher beschleunigt einen Rotor. Die Energie wird als Rotationsenergie gespeichert und beim Abbremsen über einen Generator zurückgewonnen. Solche Speicher reagieren schnell und eignen sich besonders für kurze Leistungsspitzen.
Für eine geradlinige Bewegung gilt:
Bei einer Drehbewegung hängt die gespeicherte Energie von der Winkelgeschwindigkeit und der Verteilung der Masse im Rotor ab.

Spannenergie: Federn und elastische Körper
Eine gespannte Feder oder ein gedehntes Gummiband speichert Spannenergie. Für eine ideale Feder gilt:
Dabei ist die Federkonstante und die Auslenkung. Spannenergie wird zum Beispiel in Spielzeugen, mechanischen Uhren und Rückholmechanismen genutzt.

Druckenergie: Druckluftspeicher
Bei einem Druckluftspeicherkraftwerk wird Luft komprimiert und in einem Behälter oder unterirdischen Hohlraum gespeichert. Beim Entladen expandiert die Luft und kann eine Turbine antreiben. Weil sich Luft beim Verdichten erwärmt, ist der Umgang mit der entstehenden Wärme für den Wirkungsgrad wichtig.

Elektrische und magnetische Speicher
Kondensator
Ein Kondensator speichert Energie in einem elektrischen Feld zwischen seinen Elektroden. Die gespeicherte Energie ist:
Die Energie steigt quadratisch mit der Spannung . Kondensatoren können sehr schnell geladen und entladen werden. Sie werden unter anderem in Blitzgeräten, Netzteilen und zur kurzfristigen Stabilisierung eingesetzt.

Spule und Magnetfeld
Eine stromdurchflossene Spule speichert Energie in ihrem Magnetfeld:
Dabei ist die Induktivität und die Stromstärke. In normalen Spulen entstehen Verluste durch elektrischen Widerstand. Supraleitende magnetische Speicher verringern diesen Widerstand durch starke Kühlung.
Chemische Speicher
Batterie und Akkumulator
In einer Batterie oder einem Akkumulator ist Energie chemisch gespeichert. Beim Entladen laufen elektrochemische Reaktionen ab und elektrische Energie wird bereitgestellt. Ein Akkumulator ist wiederaufladbar, weil die Reaktionen weitgehend umgekehrt werden können.
Akkumulatoren besitzen eine hohe Energiedichte und sind für Smartphones, Laptops, Elektrofahrzeuge und stationäre Batteriespeicher geeignet. Alterung, Rohstoffbedarf, Temperatur und Brandschutz müssen bei der Auswahl berücksichtigt werden.


Wasserstoff und Power-to-Gas
Mit elektrischer Energie kann Wasser durch Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt werden. Der Wasserstoff kann gespeichert und später in einer Brennstoffzelle oder einem Kraftwerk genutzt werden. Die gesamte Umwandlungskette enthält mehrere Schritte und deshalb auch mehrere Verlustquellen.
Wasserstoff kann für lange Speicherzeiten interessant sein. Für kurze Speicherzeiten ist die direkte Nutzung von Strom oder ein Akkumulator häufig effizienter.

Thermische Speicher
Ein Wärmespeicher hält thermische Energie zurück. Ein einfacher Warmwasserspeicher nutzt die Wärmekapazität von Wasser. Andere Speicher verwenden Gestein, Salzschmelzen oder einen Phasenwechsel.
Für die Erwärmung eines Stoffes ohne Phasenwechsel gilt näherungsweise:
Eine große Masse , eine hohe spezifische Wärmekapazität und eine große Temperaturänderung erhöhen die gespeicherte Wärmeenergie.

Welcher Speicher passt zu welcher Aufgabe?
Es gibt keinen Speicher, der für jede Anwendung optimal ist. Die Auswahl hängt davon ab, wie viel Energie gespeichert werden soll, wie schnell sie benötigt wird, wie lange sie gespeichert bleibt und wie oft der Speicher geladen wird.
| Anwendung | Typisch passende Speicher | Physikalischer Grund |
|---|---|---|
| sehr kurze Spannungsschwankung | Kondensator oder Schwungrad | sehr schnelle Leistungsabgabe |
| mobiles Gerät oder Fahrzeug | Akkumulator | hohe Energiedichte und Wiederaufladbarkeit |
| große Energiemenge über Stunden | Pumpspeicher oder großer Batteriespeicher | hohe Kapazität und steuerbare Abgabe |
| Wärme für Gebäude | Warmwasser-, Gesteins- oder Phasenwechselspeicher | direkte Speicherung thermischer Energie |
| lange oder saisonale Speicherung | Wasserstoff, Gas oder große Wärmespeicher | geringe Selbstentladung und große Speichermengen möglich |
Energiespeicherung und erneuerbare Energien
Wind- und Solaranlagen liefern abhängig vom Wetter und von der Tageszeit Energie. Gleichzeitig schwankt der Bedarf. Speicher können Überschüsse aufnehmen und später abgeben. Sie ersetzen jedoch nicht alle anderen Lösungen. Auch Stromnetze, flexible Verbraucher, Energieeinsparung und ein Mix verschiedener Energiequellen helfen beim Ausgleich.
Ein sinnvoller Speicher reduziert Abregelung, stellt Reserven bereit oder verschiebt Energie in eine passendere Zeit. Seine Umweltwirkung hängt nicht nur vom Betrieb ab, sondern auch von Herstellung, Rohstoffen, Lebensdauer, Recycling und Standort.
Beispielrechnung
Ein Pumpspeicher hebt Wasser um . Mit ergibt sich:
In Wattstunden sind das ungefähr:
Bei einem Gesamtwirkungsgrad von 80 Prozent wären davon ungefähr nutzbar.
Sicherheit und Nachhaltigkeit
Energiespeicher enthalten oft große Energiemengen. Deshalb gehören Schutz vor Überladung, Kurzschluss, Überdruck, Überhitzung und mechanischer Beschädigung zur Technik. Experimente im Unterricht dürfen nur mit ungefährlichen Spannungen, kleinen Energiemengen und geeigneten Materialien durchgeführt werden.
Nachhaltigkeit bedeutet außerdem, Rohstoffe sparsam zu nutzen, Speicher lange zu betreiben, reparierbare Systeme zu bevorzugen und Materialien möglichst zurückzugewinnen. Die Bewertung muss immer den gesamten Lebensweg des Speichers berücksichtigen.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Warum werden Energiespeicher eingesetzt? (Weil Energieangebot und Energiebedarf zeitlich auseinanderliegen können) (!Weil Energie dadurch neu erzeugt wird) (!Weil gespeicherte Energie keine Masse besitzt) (!Weil Stromnetze dadurch ohne Leitungen funktionieren)
Welche Aussage folgt aus dem Energieerhaltungssatz? (Energie wird umgewandelt, aber nicht vernichtet) (!Energie verschwindet beim Entladen vollständig) (!Jeder Speicher erzeugt zusätzliche Energie) (!Nur elektrische Energie bleibt erhalten)
Welche Formel beschreibt die Lageenergie nahe der Erdoberfläche? (E gleich m mal g mal h) (!E gleich m durch h) (!E gleich U mal I) (!E gleich C durch U)
Welche Energieform wird in einem Pumpspeicherkraftwerk hauptsächlich gespeichert? (Lageenergie) (!Kernenergie) (!Schallenergie) (!Strahlungsenergie)
Welche Energieform speichert ein Akkumulator hauptsächlich? (Chemische Energie) (!Reine Schallenergie) (!Nur Lageenergie) (!Gravitationsfreie Energie)
Wo ist die Energie eines Kondensators gespeichert? (Im elektrischen Feld) (!Im Schallfeld) (!Nur in der Masse des Gehäuses) (!In einer Kernspaltung)
Was beschreibt der Wirkungsgrad eines Speichers? (Das Verhältnis von nutzbarer zu zugeführter Energie) (!Die Farbe des Speichers) (!Nur seine maximale Masse) (!Die Zahl seiner Anschlusskabel)
Worin unterscheiden sich Energie und Leistung? (Leistung beschreibt umgesetzte Energie pro Zeit) (!Energie und Leistung sind immer dieselbe Größe) (!Energie wird nur in Watt gemessen) (!Leistung wird nur in Joule gemessen)
Was bedeutet Selbstentladung? (Ein Speicher verliert während der Lagerung einen Teil seiner Energie) (!Ein Speicher lädt sich ohne Energiequelle vollständig auf) (!Ein Speicher verdoppelt seine Kapazität) (!Ein Speicher gibt immer seine gesamte Energie sofort ab)
Warum gibt es nicht den einen besten Energiespeicher? (Anwendungen stellen unterschiedliche Anforderungen) (!Alle Speicher haben denselben Wirkungsgrad) (!Jeder Speicher besitzt dieselbe Energiedichte) (!Speicherdauer spielt keine Rolle)
Memory
| Pumpspeicher | Lageenergie |
| Akkumulator | chemische Energie |
| Schwungrad | Rotationsenergie |
| Kondensator | elektrisches Feld |
| Druckluftspeicher | komprimiertes Gas |
| Wärmespeicher | thermische Energie |
| Wasserstoff | chemischer Langzeitspeicher |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Typische Anwendung |
|---|---|
| Kondensator | sehr kurze Leistungsspitzen |
| Schwungrad | schnelle Netzstabilisierung |
| Akkumulator | mobile Geräte und Stundenverschiebung |
| Pumpspeicher | große Strommengen über Stunden |
| Wasserstoffspeicher | lange oder saisonale Speicherung |
Kreuzworträtsel
| Wirkungsgrad | Welche Größe vergleicht nutzbare und zugeführte Energie? |
| Pumpspeicher | Welcher Speicher hebt Wasser in ein höheres Becken? |
| Schwungrad | Welcher Speicher hält Energie in einem rotierenden Körper? |
| Kondensator | Welches Bauteil speichert Energie in einem elektrischen Feld? |
| Elektrolyse | Welches Verfahren kann Wasser mithilfe elektrischer Energie zerlegen? |
| Energiedichte | Welche Größe beschreibt Energie pro Masse oder Volumen? |
LearningApps
Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Energiespeicher im Alltag: Fotografiere oder zeichne vier Energiespeicher aus Deinem Alltag und benenne jeweils die gespeicherte Energieform.
- Energiekette: Erstelle ein Flussdiagramm für eine Taschenlampe vom Laden des Akkus bis zur Lichtabgabe.
- Spannenergie untersuchen: Vergleiche vorsichtig zwei Gummibänder und beschreibe, wovon ihre gespeicherte Spannenergie abhängen könnte.
- Energie und Leistung: Gestalte eine Lernkarte, die Joule, Wattstunde und Watt voneinander unterscheidet.
Standard
- Lageenergie berechnen: Berechne die Lageenergie verschiedener Massen in unterschiedlichen Höhen und erkläre den Einfluss von Masse und Höhe.
- Speichervergleich: Vergleiche Akkumulator und Pumpspeicher anhand von Kapazität, Leistung, Wirkungsgrad, Standort und Umweltwirkung.
- Verlustkette: Zeichne die Umwandlungskette eines Speichers und markiere an jeder Stufe mögliche Energieverluste.
- Interview zur Speicherung: Befrage eine Person mit Solaranlage, Elektrofahrzeug oder Heizungsspeicher nach Nutzen, Grenzen und Erfahrungen.
Schwer
- Speicherkonzept für die Schule: Entwickle ein begründetes Konzept, wie eine Schule Solarstrom für Abendstunden nutzen könnte.
- Modell eines Pumpspeichers: Plane ein sicheres Modell mit zwei kleinen Wasserbehältern und beschreibe Messgrößen, Fehlerquellen und Energieumwandlungen.
- Batterie oder Wasserstoff: Führe eine strukturierte Debatte darüber, welcher Speicher für tägliche und welcher für saisonale Aufgaben geeigneter ist.
- Erklärvideo Energiespeicherung: Produziere ein kurzes Video mit eigenen Grafiken, Formeln, Quellenangaben und einem Vergleich von mindestens drei Speicherarten.


Lernkontrolle
- Speicherwahl für Solarstrom: Eine Schule erzeugt mittags viel Solarstrom, benötigt aber am frühen Abend Energie. Wähle einen Speicher und begründe Deine Entscheidung mit mindestens vier Vergleichsgrößen.
- Wirkungsgrad anwenden: Ein Speicher nimmt 5 Kilowattstunden auf und besitzt einen Wirkungsgrad von 80 Prozent. Berechne die nutzbare Energie und erkläre, wohin die Differenz gelangt.
- Leistung und Kapazität beurteilen: Zwei Speicher besitzen dieselbe Kapazität, aber unterschiedliche Leistungen. Erkläre, wie sich dies bei einem kurzen hohen Leistungsbedarf auswirkt.
- Speicherkette analysieren: Beschreibe die Energieumwandlungen von Windstrom über Wasserstoff bis zur späteren Stromerzeugung und nenne an jeder Stufe mögliche Verluste.
- Zielkonflikte bewerten: Beurteile, warum ein Speicher mit hohem Wirkungsgrad trotzdem nicht für jede Anwendung die beste Wahl sein muss.
- Kombinierte Speicherlösung: Entwickle eine Kombination aus Kurzzeit- und Langzeitspeicher für ein kleines Inselnetz und begründe die Aufgabenverteilung.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du die physikalischen Zusammenhänge verstanden hast und auf neue Situationen übertragen kannst.
- Grundprinzip: Energieaufnahme, Speicherung, Abgabe und Energieumwandlung korrekt erklären.
- Energieformen: Mechanische, elektrische, magnetische, chemische und thermische Speicherung unterscheiden.
- Formeln: Mindestens zwei passende Energieformeln sicher anwenden und Einheiten korrekt verwenden.
- Wirkungsgrad: Nutzenergie, zugeführte Energie und Verluste berechnen und deuten.
- Energie und Leistung: Kapazität und Leistungsabgabe klar voneinander unterscheiden.
- Speichervergleich: Mehrere Technologien anhand nachvollziehbarer Kriterien vergleichen.
- Transfer: Für eine konkrete Anwendung eine begründete Speicherlösung auswählen.
- Nachhaltigkeit: Sicherheit, Rohstoffe, Lebensdauer, Recycling und Standort in die Bewertung einbeziehen.
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