Energiespeicherung - Physik

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Physik, Klasse 7-8, G-Niveau

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.

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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:

$\eta =\frac{E_{\mathrm{n}\mathrm{u}\mathrm{t}\mathrm{z}}}{E_{\mathrm{z}\mathrm{u}}}$

Ein Wirkungsgrad von $\eta =\mathrm{0,80}$ 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.

$1\mathrm{W}\mathrm{h}=3600\mathrm{J}$

Die Leistung beschreibt, wie schnell Energie umgesetzt wird:

$P=\frac{E}{t}$

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:

$E_{\mathrm{p}\mathrm{o}\mathrm{t}}=m\cdot g\cdot h$

Je größer die Masse $m$ und die Höhendifferenz $h$ sind, desto mehr Energie kann gespeichert werden.

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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:

$E_{\mathrm{k}\mathrm{i}\mathrm{n}}=\frac{1}{2}m{v}^2$

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:

$E_{\mathrm{s}\mathrm{p}}=\frac{1}{2}D{s}^2$

Dabei ist $D$ die Federkonstante und $s$ 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:

$E_{\mathrm{C}}=\frac{1}{2}C{U}^2$

Die Energie steigt quadratisch mit der Spannung $U$. 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:

$E_{\mathrm{L}}=\frac{1}{2}L{I}^2$

Dabei ist $L$ die Induktivität und $I$ 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.

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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:

$Q=m\cdot c\cdot \Delta T$

Eine große Masse $m$, eine hohe spezifische Wärmekapazität $c$ und eine große Temperaturänderung $\Delta T$ 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

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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.

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Beispielrechnung

Ein Pumpspeicher hebt $m=1000\mathrm{k}\mathrm{g}$ Wasser um $h=50\mathrm{m}$. Mit $g\approx \mathrm{9,81}\mathrm{m}/{\mathrm{s}}^{\mathrm{2}}$ ergibt sich:

$E_{\mathrm{p}\mathrm{o}\mathrm{t}}=1000\mathrm{k}\mathrm{g}\cdot \mathrm{9,81}\mathrm{m}/{\mathrm{s}}^{\mathrm{2}}\cdot 50\mathrm{m}=490500\mathrm{J}$

In Wattstunden sind das ungefähr:

$E=\frac{490500\mathrm{J}}{3600\mathrm{J}/\mathrm{W}\mathrm{h}}\approx 136\mathrm{W}\mathrm{h}$

Bei einem Gesamtwirkungsgrad von 80 Prozent wären davon ungefähr $109\mathrm{W}\mathrm{h}$ 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?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Nach dem kann Energie nicht vernichtet, sondern nur umgewandelt werden.

Ein Speicher nimmt Energie auf und gibt sie zu einem Zeitpunkt wieder ab.

Die Energie pro Zeit heißt in der Physik .

Ein Pumpspeicherkraftwerk speichert Energie als des Wassers.

Ein Schwungrad speichert Energie in seiner .

Ein Kondensator speichert Energie in einem elektrischen .

Ein Akkumulator speichert Energie auf Grundlage.

Der Anteil der nutzbar zurückgewonnenen Energie heißt .

Energieverluste treten häufig als unerwünschte auf.

Für lange Speicherzeiten ist eine geringe wichtig.

Die Energie pro Masse oder Volumen wird genannt.

Die Auswahl eines Speichers hängt von der jeweiligen ab.

Offene Aufgaben

Leicht

1. Energiespeicher im Alltag: Fotografiere oder zeichne vier Energiespeicher aus Deinem Alltag und benenne jeweils die gespeicherte Energieform.
2. Energiekette: Erstelle ein Flussdiagramm für eine Taschenlampe vom Laden des Akkus bis zur Lichtabgabe.
3. Spannenergie untersuchen: Vergleiche vorsichtig zwei Gummibänder und beschreibe, wovon ihre gespeicherte Spannenergie abhängen könnte.
4. Energie und Leistung: Gestalte eine Lernkarte, die Joule, Wattstunde und Watt voneinander unterscheidet.

Standard

1. Lageenergie berechnen: Berechne die Lageenergie verschiedener Massen in unterschiedlichen Höhen und erkläre den Einfluss von Masse und Höhe.
2. Speichervergleich: Vergleiche Akkumulator und Pumpspeicher anhand von Kapazität, Leistung, Wirkungsgrad, Standort und Umweltwirkung.
3. Verlustkette: Zeichne die Umwandlungskette eines Speichers und markiere an jeder Stufe mögliche Energieverluste.
4. Interview zur Speicherung: Befrage eine Person mit Solaranlage, Elektrofahrzeug oder Heizungsspeicher nach Nutzen, Grenzen und Erfahrungen.

Schwer

1. Speicherkonzept für die Schule: Entwickle ein begründetes Konzept, wie eine Schule Solarstrom für Abendstunden nutzen könnte.
2. Modell eines Pumpspeichers: Plane ein sicheres Modell mit zwei kleinen Wasserbehältern und beschreibe Messgrößen, Fehlerquellen und Energieumwandlungen.
3. Batterie oder Wasserstoff: Führe eine strukturierte Debatte darüber, welcher Speicher für tägliche und welcher für saisonale Aufgaben geeigneter ist.
4. Erklärvideo Energiespeicherung: Produziere ein kurzes Video mit eigenen Grafiken, Formeln, Quellenangaben und einem Vergleich von mindestens drei Speicherarten.

Lernkontrolle

1. 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.
2. 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.
3. Leistung und Kapazität beurteilen: Zwei Speicher besitzen dieselbe Kapazität, aber unterschiedliche Leistungen. Erkläre, wie sich dies bei einem kurzen hohen Leistungsbedarf auswirkt.
4. Speicherkette analysieren: Beschreibe die Energieumwandlungen von Windstrom über Wasserstoff bis zur späteren Stromerzeugung und nenne an jeder Stufe mögliche Verluste.
5. Zielkonflikte bewerten: Beurteile, warum ein Speicher mit hohem Wirkungsgrad trotzdem nicht für jede Anwendung die beste Wahl sein muss.
6. 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.

1. Grundprinzip: Energieaufnahme, Speicherung, Abgabe und Energieumwandlung korrekt erklären.
2. Energieformen: Mechanische, elektrische, magnetische, chemische und thermische Speicherung unterscheiden.
3. Formeln: Mindestens zwei passende Energieformeln sicher anwenden und Einheiten korrekt verwenden.
4. Wirkungsgrad: Nutzenergie, zugeführte Energie und Verluste berechnen und deuten.
5. Energie und Leistung: Kapazität und Leistungsabgabe klar voneinander unterscheiden.
6. Speichervergleich: Mehrere Technologien anhand nachvollziehbarer Kriterien vergleichen.
7. Transfer: Für eine konkrete Anwendung eine begründete Speicherlösung auswählen.
8. Nachhaltigkeit: Sicherheit, Rohstoffe, Lebensdauer, Recycling und Standort in die Bewertung einbeziehen.

Verknüpfte Lernbereiche

Energiespeicherung - Physik Energie Energieerhaltungssatz Leistung Wirkungsgrad Potentielle Energie Kinetische Energie Spannenergie Elektrisches Feld Magnetisches Feld Akkumulator Pumpspeicherkraftwerk Wasserstoff Thermische Energie