Energiespeicher – Batterien, Akkus und Pumpspeicher
Energiespeicher – Batterien, Akkus und Pumpspeicher
Energiespeicher – Batterien, Akkus und Pumpspeicher
Einleitung
Ein Energiespeicher nimmt Energie auf und gibt sie später wieder ab. Er erzeugt keine neue Energie. Beim Speichern wird Energie in eine andere Form umgewandelt.
Batterien und Akkus speichern Energie in chemischer Form. Ein Pumpspeicherkraftwerk speichert Energie mithilfe von Wasser in großer Höhe.
Lernbereiche
- Energieumwandlung: Energieformen erkennen und beschreiben.
- Elektrizitätslehre: Stromfluss in Batterie und Akku verstehen.
- Mechanik: Lageenergie des Wassers im Pumpspeicher erklären.
- Technik: Aufbau und Einsatz verschiedener Energiespeicher vergleichen.
Batterie und Akku
Im Alltag gilt:
Beide besitzen zwei Elektroden und einen Elektrolyten. Beim Entladen laufen chemische Reaktionen ab. Dadurch fließen Elektronen durch den äußeren Stromkreis.
Der Akku beim Laden
Beim Laden wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt. Beim Entladen wird chemische Energie wieder in elektrische Energie umgewandelt.
Laden: elektrische Energie → chemische Energie Entladen: chemische Energie → elektrische Energie
Pumpspeicher
Ein Pumpspeicherkraftwerk besitzt ein Oberbecken und ein Unterbecken.
Bei einem Stromüberschuss pumpen elektrische Motoren Wasser nach oben. Das Wasser besitzt dort Lageenergie. Wird Strom gebraucht, fließt das Wasser nach unten. Es treibt eine Turbine und einen Generator an.
Speichern: elektrische Energie → Lageenergie Strom erzeugen: Lageenergie → Bewegungsenergie → elektrische Energie
Lageenergie des Wassers
Für die Lageenergie gilt:
E = m · g · h
Je größer die Wassermasse und je größer die Höhe, desto mehr Energie kann gespeichert werden.
Vergleich
| Speicher | Energieform | Vorteil | Beispiel |
|---|---|---|---|
| Batterie | chemische Energie | klein und tragbar | Taschenlampe |
| Akku | chemische Energie | wiederaufladbar | Smartphone |
| Pumpspeicher | Lageenergie | sehr große Energiemengen | Stromnetz |
Wirkungsgrad und Sicherheit
Bei jeder Energieumwandlung geht ein Teil der nutzbaren Energie als Wärme verloren. Der Wirkungsgrad liegt deshalb immer unter 100 Prozent.
Batterien und Akkus dürfen nicht geöffnet, erhitzt oder kurzgeschlossen werden. Beschädigte Speicher gehören zu einer geeigneten Sammelstelle.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Was ist die Aufgabe eines Energiespeichers? (Energie aufnehmen und später wieder abgeben) (!Neue Energie erzeugen) (!Elektrische Ladung vernichten) (!Die Masse eines Körpers vergrößern)
Was unterscheidet einen Akku im Alltag von einer Batterie? (Ein Akku kann wieder aufgeladen werden) (!Ein Akku enthält kein Elektrolyt) (!Eine Batterie besitzt keine Elektroden) (!Eine Batterie erzeugt unbegrenzt Strom)
Welche Energieform ist in einem geladenen Akku gespeichert? (Chemische Energie) (!Schallenergie) (!Kernenergie) (!Lichtenergie)
Welche Aufgabe hat der Elektrolyt? (Er ermöglicht den Transport von Ionen) (!Er erzeugt Licht) (!Er dreht eine Turbine) (!Er speichert Wasser)
Welche Aufgabe hat der Separator in einer Akkuzelle? (Er trennt die Elektroden) (!Er pumpt Wasser nach oben) (!Er misst die Höhe) (!Er erzeugt Schall)
Welche Energieumwandlung geschieht beim Laden eines Akkus? (Elektrische Energie wird in chemische Energie umgewandelt) (!Lageenergie wird in Schallenergie umgewandelt) (!Chemische Energie wird in Kernenergie umgewandelt) (!Wärmeenergie wird vollständig vernichtet)
Was geschieht im Pumpbetrieb eines Pumpspeicherkraftwerks? (Wasser wird in das Oberbecken gepumpt) (!Wasser wird chemisch zerlegt) (!Die Turbine wird ausgebaut) (!Das Unterbecken wird erhitzt)
Was treibt beim Entladen eines Pumpspeichers den Generator an? (Eine Turbine) (!Ein Separator) (!Ein Elektrolyt) (!Eine Solarzelle)
Warum ist der Wirkungsgrad kleiner als 100 Prozent? (Ein Teil der Energie wird als Wärme abgegeben) (!Energie wird vollständig neu erzeugt) (!Die Masse des Speichers verschwindet) (!Elektronen hören dauerhaft auf zu existieren)
Welcher Speicher eignet sich für sehr große Energiemengen im Stromnetz? (Ein Pumpspeicherkraftwerk) (!Eine Knopfzelle) (!Eine einzelne Taschenlampenbatterie) (!Ein Smartphone-Akku)
Memory
| Batterie | meist nicht wiederaufladbarer Speicher |
| Akku | wiederaufladbarer Speicher |
| Elektrolyt | ermöglicht den Ionentransport |
| Separator | trennt die Elektroden |
| Turbine | treibt den Generator an |
| Oberbecken | speichert Wasser in großer Höhe |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Beispiel |
|---|---|
| Chemische Energie | geladener Akku |
| Elektrische Energie | Strom im Kabel |
| Lageenergie | Wasser im Oberbecken |
| Bewegungsenergie | strömendes Wasser |
| Wärmeenergie | Verlust bei einer Umwandlung |
Kreuzworträtsel
| Elektrolyt | Welche Flüssigkeit oder feste Substanz ermöglicht den Transport von Ionen? |
| Separator | Welches Bauteil trennt die Elektroden einer Akkuzelle? |
| Turbine | Welches Bauteil wird von strömendem Wasser gedreht? |
| Generator | Welches Gerät wandelt Bewegung in elektrische Energie um? |
| Oberbecken | Wo wird das hochgepumpte Wasser gespeichert? |
| Wirkungsgrad | Welche Größe beschreibt den Anteil der nutzbaren Energie? |
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Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Energiespeicher im Alltag: Finde vier Geräte mit Batterie oder Akku und fotografiere oder zeichne sie.
- Energieumwandlung: Zeichne die Energiekette einer Taschenlampe.
- Pumpspeicherkraftwerk: Beschrifte eine Skizze mit Oberbecken, Unterbecken, Pumpe, Turbine und Generator.
- Sicherheit bei Akkus: Gestalte ein kleines Warnschild mit drei wichtigen Regeln.
Standard
- Batterievergleich: Vergleiche die Angaben auf zwei Batterien oder Akkus, ohne sie zu öffnen.
- Erklärvideo: Produziere ein Video von höchstens 90 Sekunden über den Unterschied zwischen Batterie und Akku.
- Modell eines Pumpspeichers: Baue mit zwei Gefäßen und einem Schlauch ein einfaches Wassermodell.
- Energieflussdiagramm: Stelle Laden und Entladen eines Akkus mit Pfeilen und Energieformen dar.
Schwer
- Wirkungsgrad: Entwickle einen Versuch, mit dem Energieverluste an einem kleinen Motor untersucht werden können.
- Standortanalyse: Prüfe auf einer Karte, welche Landschaft für einen Pumpspeicher geeignet sein könnte.
- Nachhaltigkeit: Vergleiche Akkus und Pumpspeicher nach Rohstoffen, Platzbedarf, Lebensdauer und Einsatzgebiet.
- Speicherkonzept: Plane eine Kombination aus Solaranlage und Energiespeicher für eine Schule.
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Lernkontrolle
- Speicherwahl: Eine Berghütte benötigt nachts Strom aus einer Solaranlage. Begründe, welcher Speicher geeignet sein könnte.
- Energieverluste: Erkläre, an welchen Stellen eines Pumpspeicherkraftwerks Energie als Wärme oder Schall abgegeben wird.
- Energiekette: Vergleiche die Energieumwandlungen eines Akkus mit denen eines Pumpspeichers.
- Lageenergie: Erkläre, wie sich die gespeicherte Energie verändert, wenn die Wassermasse oder die Höhe verdoppelt wird.
- Bewertung einer Aussage: Beurteile den Satz „Ein Energiespeicher erzeugt Strom“ und verbessere ihn fachlich.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis solltest Du:
- Batterie und Akku unterscheiden,
- die wichtigsten Bauteile einer Zelle erklären,
- Energieumwandlungen darstellen,
- die Arbeitsweise eines Pumpspeichers beschreiben,
- die Formel E = m · g · h anwenden,
- Wirkungsgrad und Energieverluste erklären,
- geeignete Speicher für verschiedene Aufgaben begründet auswählen.
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