NWT9 - Energieformen, Energiespeicher und Energieübertragung

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Deutsch, Klasse 9-10, M-Niveau

Einleitung

NWT9 - Energieformen, Energiespeicher und Energieübertragung verbindet Physik, Technik, Chemie und Biologie. Du wiederholst bekannte Energieformen, untersuchst, wie Energie in natürlichen und technischen Systemen gespeichert, übertragen und umgewandelt wird, und lernst, Energieflüsse als Energieketten und Energieflussdiagramme darzustellen. Dabei ist eine Grundidee besonders wichtig: Energie kann nicht erzeugt oder vernichtet werden. Sie kann zwischen Systemen übertragen und von einer Erscheinungsform in eine andere umgewandelt werden.

Im Alltag sprechen wir oft davon, dass ein Akku „Strom speichert“. Physikalisch genauer ist: Beim Laden wird Energie übertragen und überwiegend als chemische Energie im Akkumulator gespeichert. Beim Entladen wird diese Energie wieder in elektrische Energie umgewandelt und an einen Verbraucher übertragen. Ähnlich speichert ein Pumpspeicherkraftwerk Energie nicht als „Strom“, sondern als Lageenergie von Wasser.

Die Abbildung zeigt eine grundlegende Energieumwandlung am Pendel: In den Umkehrpunkten ist die Lageenergie groß und die Bewegungsenergie klein; beim Durchgang durch die tiefste Lage ist es umgekehrt.

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Lernziele und Differenzierung G/M/E

Niveau	Das solltest Du am Ende können
G – Grundniveau	Energieformen an Beispielen erkennen, einfache Energieketten aufstellen, Speicher und Übertragungswege unterscheiden und den Energieerhaltungssatz sprachlich anwenden.
M – Mittleres Niveau	Energieumwandlungen quantitativ mit einfachen Formeln beschreiben, Energieflüsse bilanzieren, Wirkungsgrade vergleichen und Messdaten aus Experimenten auswerten.
E – Erweitertes Niveau	komplexe Systeme mit mehreren Speichern und Übertragungswegen modellieren, Verluste begründen, technische Lösungen bewerten und Zusammenhänge wie Hochspannungsübertragung oder Speicherwahl mathematisch erklären.

Energie als Erhaltungsgröße

Energie beschreibt die Fähigkeit eines Systems, Veränderungen hervorzurufen. Ihre SI-Einheit ist das Joule mit dem Einheitenzeichen J. In technischen Zusammenhängen wird häufig auch die Wattstunde verwendet. Es gilt:

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

Der Energieerhaltungssatz lautet für ein abgeschlossenes System:

Die Gesamtenergie bleibt konstant.

Wenn bei einem Vorgang scheinbar Energie „verloren“ geht, ist sie meist in eine weniger leicht nutzbare Form übergegangen, häufig in innere beziehungsweise thermische Energie der Umgebung. Umgangssprachlich wird dafür oft der Begriff Energieentwertung verwendet. Energie selbst verschwindet dabei nicht.

Beim realen Pendel wird durch Luftwiderstand und Reibung nach und nach mechanische Energie in innere Energie von Pendel und Umgebung umgewandelt. Deshalb wird die Schwingung kleiner, obwohl die Energieerhaltung weiterhin gilt.

Energie, Leistung und Wirkungsgrad

Energie und Leistung sind nicht dasselbe. Die Leistung gibt an, wie schnell Energie übertragen oder umgewandelt wird:

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

Für eine technische Energieumwandlung kann eine Bilanz geschrieben werden:

$E_{\mathrm{z}\mathrm{u}}=E_{\mathrm{n}\mathrm{u}\mathrm{t}\mathrm{z}}+E_{\mathrm{a}\mathrm{b}}$

Dabei bezeichnet $E_{\mathrm{a}\mathrm{b}}$ Energie, die nicht dem gewünschten Zweck dient, zum Beispiel Erwärmung der Umgebung oder Schall. Der Wirkungsgrad ist:

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

Ein Wirkungsgrad von 0,80 entspricht 80 %. Ein Wirkungsgrad kann nicht größer als 100 % sein.

G/M/E-Auftrag: Energieerhaltung

Niveau	Auftrag
G	Erkläre an einem schwingenden Pendel, warum Energie nicht verschwindet, obwohl das Pendel schließlich zur Ruhe kommt.
M	Ein Gerät erhält 500 J Energie und gibt 350 J als gewünschte Nutzenergie ab. Berechne den Wirkungsgrad und die nicht gewünschte Energieabgabe.
E	Diskutiere, warum die Formulierung „Energieverlust“ technisch praktisch, physikalisch aber missverständlich sein kann. Formuliere eine präzisere Alternative.

Wichtige Energieformen

In der Schule werden Energieformen genutzt, um Zustände und Veränderungen übersichtlich zu beschreiben. Je nach Modell können Bezeichnungen unterschiedlich fein gegliedert sein. Entscheidend ist, dass Du angibst, in welchem System Energie gespeichert ist und wie sie übertragen oder umgewandelt wird.

Energieform	Typisches System	Beispiel	Häufige Beziehung
Bewegungsenergie	bewegter Körper	Fahrrad, Wind, fließendes Wasser	$E_{\mathrm{k}\mathrm{i}\mathrm{n}}=\frac{1}{2}m{v}^2$
Lageenergie	Körper im Gravitationsfeld	Wasser im Oberbecken, angehobene Masse	$E_{\mathrm{p}\mathrm{o}\mathrm{t}}=mgh$
Spannenergie	elastisch verformter Körper	Feder, Bogen, Gummiband	$E_{\mathrm{s}\mathrm{p}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{n}}=\frac{1}{2}D{s}^2$
Chemische Energie	Stoffsystem	Nahrung, Brennstoff, Akku	abhängig von Stoffmenge und Reaktion
Innere / thermische Energie	warmer Stoff oder Körper	Warmwasserspeicher, erhitzter Stein	näherungsweise $\Delta E=mc\Delta T$
Elektrische Energie	elektrisches System	Übertragung im Stromkreis	$E=UIt=Pt$
Strahlungsenergie	elektromagnetische Strahlung	Sonnenlicht, Lampe	abhängig von Leistung und Zeit
Kernenergie	Atomkern	Sonne, Kernreaktor	Umwandlung bei Kernreaktionen

Bewegungs-, Lage- und Spannenergie

Die drei mechanischen Energieformen lassen sich besonders anschaulich ineinander umwandeln. Bei einer Achterbahn wird Lageenergie in Bewegungsenergie umgewandelt. Beim Spannen eines Bogens wird durch mechanische Arbeit Spannenergie gespeichert. Beim Abschuss wird sie überwiegend in Bewegungsenergie des Pfeils umgewandelt.

Energiekette Feder:

chemische Energie der Muskeln → Spannenergie der Feder → Bewegungsenergie → innere Energie und Schall

Chemische Energie

Chemische Energie ist an die Zusammensetzung und den Zustand von Stoffen gebunden. Bei Verbrennungen, in Batterien, in Brennstoffzellen und im Stoffwechsel können chemische Reaktionen Energie auf andere Systeme übertragen. Nahrung ist deshalb ein natürlicher Energiespeicher für den menschlichen Körper.

Eine Batterie oder ein Akku ist gleichzeitig Energiespeicher und Energiewandler. Beim Entladen wird chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Bei einem wiederaufladbaren Akku kann beim Laden elektrische Energie genutzt werden, um einen energiereicheren chemischen Zustand wiederherzustellen.

Innere und thermische Energie

Wird ein Körper wärmer, verändert sich seine innere Energie. Für viele schulische Aufgaben kann die Energieänderung beim Erwärmen näherungsweise mit

$\Delta E=mc\Delta T$

bestimmt werden. $m$ ist die Masse, $c$ die spezifische Wärmekapazität und $\Delta T$ die Temperaturänderung. Ein Warmwasserspeicher nutzt diesen Zusammenhang technisch: Energie wird durch Erwärmung des Wassers gespeichert.

Strahlungsenergie

Sonnenlicht transportiert Energie durch den nahezu leeren Weltraum zur Erde. Dafür ist kein Stoff als Transportmedium nötig. Diese Strahlungsenergie kann etwa in Solarzellen in elektrische Energie oder in Pflanzen durch Fotosynthese in chemische Energie überführt werden.

Energiespeicher

Ein Energiespeicher ist ein System, dessen Zustand so verändert wird, dass später Energie wieder an andere Systeme übertragen werden kann. Die Auswahl eines Speichers hängt davon ab, wie viel Energie gespeichert werden soll, wie schnell sie aufgenommen und abgegeben werden muss, wie oft der Speicher genutzt wird und welche Verluste, Kosten, Rohstoffe und Sicherheitsanforderungen auftreten.

Speicherprinzip	Gespeicherte Energie	Beispiel	Stärke	Grenze
Höhe / Gravitation	Lageenergie	Pumpspeicherkraftwerk	große Energiemengen, lange Lebensdauer	geeignete Topografie nötig
Elektrochemie	chemische Energie	Akkumulator	mobil, gut regelbar	Alterung, Rohstoff- und Temperaturfragen
Wärme	innere Energie	Warmwasser- oder Salzspeicher	einfache Technik	Wärmeverluste über Zeit
Rotation	Bewegungsenergie	Schwungrad	sehr schnelle Leistungsabgabe	Selbstentladung durch Verluste
Elastische Verformung	Spannenergie	Feder	einfach und direkt	begrenzte Energiemenge
Elektrisches Feld	Feldenergie	Kondensator / Superkondensator	sehr schnelles Laden und Entladen	geringere Energiedichte als viele Akkus
Chemischer Energieträger	chemische Energie	Wasserstoff	transportierbar, langfristig speicherbar	zusätzliche Umwandlungsschritte

Pumpspeicherkraftwerk

Ein Pumpspeicherkraftwerk besitzt ein Ober- und ein Unterbecken. Bei Energieüberschuss wird Wasser nach oben gepumpt. Die zugeführte elektrische Energie wird dabei überwiegend in Lageenergie des Wassers umgewandelt. Bei Bedarf fließt das Wasser zurück durch eine Turbine und treibt einen Generator an.

Energiekette beim Laden:

elektrische Energie → Bewegungsenergie von Motor und Pumpe → Lageenergie des Wassers

Energiekette beim Entladen:

Lageenergie des Wassers → Bewegungsenergie des Wassers → Rotationsenergie der Turbine → elektrische Energie

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Akku und Batterie

Beim Akku ist der gespeicherte Zustand chemischer Natur. Die elektrische Energie, die beim Laden übertragen wird, verändert die chemische Zusammensetzung beziehungsweise die Verteilung der Teilchen im Inneren. Beim Entladen läuft eine elektrochemische Reaktion in der Gegenrichtung ab und elektrische Energie wird an den Stromkreis übertragen.

Als einfache Abschätzung gilt bei annähernd konstanter Spannung:

$E=UQ$

Wird die Ladungsmenge $Q$ in Amperestunden angegeben, ergibt sich der Energieinhalt praktisch oft in Wattstunden.

Beispiel: Ein Akku mit 12 V und 5 Ah kann idealisiert etwa 60 Wh Energie bereitstellen. In der Praxis hängt die tatsächlich nutzbare Energie unter anderem von Belastung, Temperatur, Alter und Entladegrenzen ab.

Kondensator und Superkondensator

Ein Kondensator speichert Energie im elektrischen Feld zwischen geladenen Elektroden. Er kann sehr schnell Energie aufnehmen und abgeben. Für die gespeicherte Energie gilt auf erweitertem Niveau:

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

Kondensatoren eignen sich deshalb für kurze Leistungsspitzen. Akkus eignen sich meist besser, wenn über längere Zeit eine größere Energiemenge benötigt wird.

Schwungrad und elastischer Speicher

Ein Schwungrad speichert Energie als Rotationsenergie. Wird es beschleunigt, steigt der Energieinhalt. Beim Abbremsen kann die Rotationsenergie über einen Generator wieder in elektrische Energie überführt werden. Ein elastischer Speicher wie eine Feder oder ein Gummiband speichert Energie durch Verformung.

Das Kugelstoßpendel ist kein idealer Energiespeicher für technische Anwendungen, veranschaulicht aber Energie- und Impulsübertragung bei Stößen. In realen Systemen treten zusätzlich Schall, Verformung und Erwärmung auf.

Speichervergleich auf G/M/E-Niveau

Niveau	Denkauftrag
G	Ordne Pumpspeicher, Akku, Warmwasserspeicher, Schwungrad und Feder jeweils einer gespeicherten Energieform zu.
M	Vergleiche Akku und Pumpspeicher nach Energiemenge, Leistung, Mobilität und Umwandlungsschritten. Begründe, warum beide sinnvoll sein können.
E	Entwickle Kriterien für einen Speicher in einem Inselnetz mit Photovoltaik. Gewichte mindestens vier Kriterien und begründe eine Kombination aus zwei Speicherarten.

Energieübertragung

Energieübertragung bedeutet, dass sich der Energieinhalt verschiedener Systeme ändert. Das ist von einer Energieumwandlung zu unterscheiden: Bei einer Umwandlung ändert sich die beschreibende Energieform innerhalb des betrachteten Prozesses. In realen Vorgängen treten Übertragung und Umwandlung fast immer gemeinsam auf.

Ein Wasserkocher verdeutlicht den Unterschied: Energie wird elektrisch vom Netz zum Gerät übertragen. Im Heizelement wird elektrische Energie in innere Energie umgewandelt. Anschließend wird Energie durch Wärmeübertragung an das Wasser übertragen.

Mechanische Energieübertragung

Wird an einem Körper Arbeit verrichtet, kann Energie mechanisch übertragen werden. Ein Mensch hebt eine Kiste: Chemische Energie im Körper wird umgewandelt, und durch die mechanische Arbeit steigt die Lageenergie der Kiste. Auch Wellen, Riemen, Ketten und Zahnräder können Energie mechanisch zwischen Bauteilen übertragen.

Elektrische Energieübertragung

Elektrische Systeme übertragen Energie sehr schnell über Leitungen und elektromagnetische Felder. Für ein Bauteil gilt bei Gleichspannung näherungsweise:

$P=UI$

und damit:

$E=UIt$

Für die Fernübertragung ist eine hohe Spannung vorteilhaft. Bei gegebener Leistung führt eine größere Spannung zu einer kleineren Stromstärke. Da die Verlustleistung einer Leitung

$P_{\mathrm{V}}=I^{2}R$

beträgt, sinken die Leitungsverluste stark, wenn die Stromstärke kleiner wird. Transformatoren ermöglichen im Wechselstromnetz das Hoch- und Heruntersetzen der Spannung.

E-Niveau: Wird die Stromstärke bei gleichem Leitungswiderstand halbiert, sinkt die Verlustleistung auf ein Viertel.

Wärmeübertragung: Leitung, Konvektion und Strahlung

Energie kann aufgrund eines Temperaturunterschieds als Wärme übertragen werden. Drei Mechanismen sind wichtig:

Mechanismus	Kennzeichen	Beispiel
Wärmeleitung	Energieübertragung in Materie ohne makroskopischen Stofftransport	Metalllöffel im heißen Tee
Konvektion	Energieübertragung mit strömender Flüssigkeit oder strömendem Gas	aufsteigende warme Luft
Wärmestrahlung	Energieübertragung durch elektromagnetische Strahlung	Sonne erwärmt die Erde

Bei einer Thermoskanne versucht man alle drei Wege zu vermindern: schlechte Wärmeleiter verringern Wärmeleitung, ein weitgehend evakuierter Zwischenraum vermindert Leitung und Konvektion, reflektierende Flächen verringern Wärmestrahlung.

Energieumwandlung und Energieketten

Eine Energiekette zeigt nacheinander, in welchen Formen Energie in einem System erscheint. Sie ist ein Modell. Gute Energieketten nennen nicht nur die gewünschten Umwandlungen, sondern auch wichtige Abgaben an die Umgebung.

Technisches Beispiel: Windenergieanlage

Wind besitzt Bewegungsenergie. Die Rotorblätter übertragen einen Teil davon auf die rotierende Welle. Ein Generator wandelt mechanische Energie in elektrische Energie um. Anschließend wird Energie über das Stromnetz übertragen.

Energiekette:

Bewegungsenergie der Luft → Rotationsenergie des Rotors → elektrische Energie → Nutzenergie beim Verbraucher + innere Energie der Umgebung

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Technisches Beispiel: Generator und Elektromotor

Generator und Elektromotor sind in ihrer Energierichtung Gegenstücke. Ein Generator nimmt mechanisch übertragene Energie auf und gibt sie elektrisch weiter. Ein Elektromotor nimmt elektrische Energie auf und gibt einen großen Teil mechanisch ab.

Generator: mechanische Energie → elektrische Energie

Motor: elektrische Energie → mechanische Energie + innere Energie + Schall

Diese Umkehrbarkeit wird zum Beispiel bei rekuperativem Bremsen genutzt: Ein Elektromotor arbeitet beim Bremsen als Generator und wandelt einen Teil der Bewegungsenergie des Fahrzeugs in elektrische Energie um, die anschließend im Akku chemisch gespeichert werden kann.

Technisches Beispiel: Photovoltaik mit Akku

Eine Photovoltaikanlage wandelt einen Teil der Strahlungsenergie des Sonnenlichts direkt in elektrische Energie um. Wird ein Akku geladen, folgt ein weiterer Umwandlungsschritt.

Sonnenstrahlung → elektrische Energie → chemische Energie im Akku → elektrische Energie → Licht / Bewegung / Wärme beim Verbraucher

Jeder Umwandlungsschritt besitzt einen Wirkungsgrad kleiner als 100 %. Deshalb muss bei Systemvergleichen immer die gesamte Kette betrachtet werden.

Natürliche Energiekette: Wasserkreislauf

Die Sonne liefert Energie für Verdunstung. Wasserdampf steigt auf, kondensiert und Wasser gelangt als Niederschlag in höhere Lagen. Dadurch kann Wasser Lageenergie besitzen. Beim Abfließen wird ein Teil davon in Bewegungsenergie umgewandelt.

Sonnenstrahlung → innere Energie von Wasser und Luft → Lageenergie von Wasser → Bewegungsenergie von Flüssen

Diese natürliche Kette wird technisch in Wasserkraftwerken genutzt.

Natürliche Energiekette: Fotosynthese und Mensch

Pflanzen wandeln bei der Fotosynthese einen Teil der aufgenommenen Strahlungsenergie in chemische Energie organischer Stoffe um. Menschen und Tiere können diese Stoffe über Nahrung aufnehmen. Im Stoffwechsel wird chemische Energie für Bewegung, Aufbauprozesse und Wärmeabgabe genutzt.

Sonnenstrahlung → chemische Energie in Biomasse → chemische Energie im Körper → Bewegungsenergie + innere Energie

Natürliche Energiekette: Wind

Ungleichmäßige Erwärmung der Erdoberfläche durch Sonnenstrahlung erzeugt Temperatur- und Druckunterschiede in der Atmosphäre. Dadurch entstehen Luftbewegungen. Windenergie ist daher im Wesentlichen Bewegungsenergie der Luft, deren Ursprung zu einem großen Teil in der Sonnenstrahlung liegt.

Sonnenstrahlung → innere Energie von Boden und Atmosphäre → Druckunterschiede → Bewegungsenergie der Luft

Energieflussdiagramme und Bilanzierung

Energieflussdiagramme machen sichtbar, welche Energie in ein System hinein- und wieder herausfließt. Für ein Gerät kann man die Zufuhr in Nutzenergie und weitere Energieabgaben aufteilen.

Modellbeispiel mit frei gewählten Zahlen:

Energiefluss	Energie
zugeführt	100 J
gewünschte Nutzenergie	70 J
innere Energie der Umgebung	25 J
Schall	5 J

Damit gilt $\eta =70\mathrm{\%}$. Die Summe der abgegebenen Energien beträgt wieder 100 J. Das ist die Energiebilanz.

Visualisierung:

100 J zugeführt → 70 J Nutzenergie

　　　　　　↘ 25 J thermische Abgabe

　　　　　　↘ 5 J Schall

Energiefluss einer Taschenlampe

chemische Energie im Akku → elektrische Energie → Strahlungsenergie des Lichts + innere Energie von LED, Elektronik und Umgebung

Bei einer modernen LED ist ein größerer Anteil der zugeführten Energie als sichtbare Strahlung nutzbar als bei einer klassischen Glühlampe. Dennoch wird auch eine LED warm.

Energiefluss eines Fahrrads mit Dynamo

chemische Energie im Körper → Bewegungsenergie des Fahrrads → Rotationsenergie des Dynamos → elektrische Energie → Strahlungsenergie + innere Energie

Beim eingeschalteten Dynamo musst Du stärker treten. Die zusätzliche mechanisch übertragene Energie wird nicht „vom Dynamo erzeugt“, sondern von Deinem Körper bereitgestellt und im System umgewandelt.

Experimente und Untersuchungen

Verwende bei elektrischen Experimenten ausschließlich schulgeeignete Kleinspannungsquellen. Keine Experimente an Netzspannung oder Hochspannung durchführen. Heiße Gegenstände und erhitztes Wasser nur unter den im Unterricht festgelegten Sicherheitsregeln verwenden.

Experiment A: Pendel und Energieerhaltung

Material: Faden, kleines Gewicht, Stativ, Maßstab, optional Smartphone-Zeitlupe.

Durchführung: Lenke das Pendel aus, markiere die Starthöhe und beobachte mehrere Schwingungen. Vergleiche die Höhe der Umkehrpunkte. Filme die Bewegung optional in Zeitlupe.

Beobachtungsidee: Die Geschwindigkeit ist unten am größten, die Höhe an den Umkehrpunkten. Reibung und Luftwiderstand verringern die mechanisch sichtbare Energie nach und nach.

Energiekette: Lageenergie ↔ Bewegungsenergie → innere Energie der Umgebung.

Niveau	Auswertung
G	Beschreibe, wo das Pendel schnell und wo es langsam ist.
M	Begründe die Beobachtung mit Lage- und Bewegungsenergie.
E	Plane eine Messmethode, mit der Du die Abnahme der mechanischen Energie quantitativ untersuchen könntest.

Experiment B: Feder oder Gummiband als Speicher

Material: Gummiband oder Feder, kleiner Wagen, Maßstab.

Durchführung: Verforme das Gummiband in mehreren Stufen und lasse damit den Wagen starten. Miss die zurückgelegte Strecke oder die maximale Geschwindigkeit mit einer geeigneten Messmethode.

Forschungsfrage: Wie hängt die gespeicherte Spannenergie von der Verformung ab?

E-Niveau: Für eine ideale Feder gilt $E_{\mathrm{s}\mathrm{p}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{n}}=\frac{1}{2}D{s}^2$. Eine Verdopplung der Auslenkung vervierfacht bei gleicher Federkonstante die gespeicherte Energie.

Experiment C: Motor als Generator

Material: kleiner Gleichstrommotor, LED oder Voltmeter, Kabel, Handkurbel oder Reibrad.

Durchführung: Drehe die Motorachse von Hand. Miss die Spannung oder beobachte die LED. Vergleiche langsames und schnelles Drehen.

Energiekette: chemische Energie im Körper → mechanische Energie → elektrische Energie → Licht und innere Energie.

Transferfrage: Warum kann derselbe Maschinentyp als Motor und als Generator verwendet werden?

Experiment D: Wärmeleitung vergleichen

Material: gleich lange Stäbe oder Löffel aus verschiedenen Materialien, warmes Wasser, Temperaturfühler nach schulischer Ausstattung.

Durchführung: Bringe jeweils ein Ende in warmes Wasser und beobachte beziehungsweise miss die Temperaturentwicklung am anderen Ende.

Ziel: Vergleiche die Wärmeleitfähigkeit qualitativ oder anhand von Messwerten.

Sicherheit: Kein kochendes Wasser verwenden, wenn dies nicht ausdrücklich von der Lehrkraft vorgesehen ist. Verbrennungsgefahr beachten.

Experiment E: Konvektion sichtbar machen

Material: durchsichtiges Gefäß, warmes und kühleres Wasser, geeigneter Farbstoff, Temperaturfühler.

Durchführung: Erzeuge vorsichtig einen Temperaturunterschied und beobachte die Strömung des gefärbten Wassers.

Deutung: Bei Konvektion wird Energie gemeinsam mit strömender Materie transportiert. Die Strömung entsteht durch Dichteunterschiede infolge der Temperaturunterschiede.

Experiment F: Solarzelle als Energiewandler

Material: kleine Solarzelle, Lampe oder Sonnenlicht, Motor oder Messgerät, optional verschiedene Abstände und Einfallswinkel.

Durchführung: Untersuche, wie sich Beleuchtungsstärke oder Einfallswinkel auf Spannung, Stromstärke oder Motorbewegung auswirken.

Energiekette: Strahlungsenergie → elektrische Energie → Bewegungsenergie + innere Energie.

Technische Systeme auswählen und bewerten

In technischen Systemen genügt es nicht, nur den Wirkungsgrad eines einzelnen Bauteils zu betrachten. Wichtig sind die gesamte Energiekette, die benötigte Leistung, Speicherdauer, Reaktionsgeschwindigkeit, Sicherheit, Rohstoffe, Lebensdauer, Kosten und Umweltauswirkungen.

Fallbeispiel: Schulfest mit Solarstrom

Eine Schule möchte am Nachmittag mit Photovoltaik Energie bereitstellen und am Abend Beleuchtung betreiben. Tagsüber wird mehr elektrische Energie erzeugt als unmittelbar benötigt.

G: Zeichne eine Energiekette von der Sonne bis zur Lampe und kennzeichne den Speicher.

M: Vergleiche Akku und Warmwasserspeicher. Welcher Speicher passt zur späteren Beleuchtung besser und warum?

E: Entwickle ein Gesamtsystem, das elektrische und thermische Nutzung kombiniert. Begründe, welche Energie direkt genutzt, gespeichert oder in eine andere Form umgewandelt werden sollte.

Fallbeispiel: Bergbahn mit Rekuperation

Eine elektrische Bergbahn fährt bergauf und bergab. Beim Bergabfahren kann der Motor generatorisch bremsen.

Energiekette bergauf: elektrische Energie → mechanische Energie → Lageenergie der Bahn.

Energiekette bergab mit Rekuperation: Lageenergie → Bewegungsenergie → elektrische Energie → chemische Energie im Akku oder Einspeisung ins Netz.

E-Niveau: Erkläre, warum die beim Bergabfahren zurückgewonnene Energie kleiner ist als die zuvor für die Bergfahrt benötigte elektrische Energie.

Vertiefung: Warum Hochspannung Energieübertragung effizienter macht

Für eine vorgegebene elektrische Leistung gilt $P=UI$. Soll beispielsweise dieselbe Leistung übertragen werden, kann eine größere Spannung $U$ mit einer kleineren Stromstärke $I$ kombiniert werden. Die Leitungsverluste hängen jedoch quadratisch von der Stromstärke ab:

$P_{\mathrm{V}}=I^{2}R$

Modellrechnung: Eine Leitung habe einen Widerstand von 2 Ω.

Bei 10 A beträgt die Verlustleistung:

$P_{\mathrm{V}}=(10\mathrm{A}{)}^2\cdot 2\Omega =200\mathrm{W}$

Bei 5 A beträgt sie:

$P_{\mathrm{V}}=(5\mathrm{A}{)}^2\cdot 2\Omega =50\mathrm{W}$

Die Stromstärke wurde halbiert, die Verlustleistung auf ein Viertel reduziert. Das ist ein zentraler Grund für Hochspannungsnetze.

G/M/E-Auftrag zur Stromübertragung

Niveau	Aufgabe
G	Erkläre in Worten, warum Leitungen warm werden und weshalb das unerwünscht ist.
M	Berechne die Leitungsverluste für 8 A und 4 A bei 3 Ω und vergleiche.
E	Kombiniere $P=UI$ und $P_{\mathrm{V}}=I^{2}R$ und erkläre mathematisch, warum bei gleicher übertragener Leistung eine größere Spannung die Leitungsverluste senkt.

Vertiefung: Speicherketten und Gesamtwirkungsgrad

Wer Energie speichert, benötigt meist mindestens zwei Umwandlungsschritte: einen beim Laden und einen beim Entladen. Der Gesamtwirkungsgrad ergibt sich näherungsweise als Produkt der Wirkungsgrade der einzelnen Schritte:

${\eta }_{\mathrm{g}\mathrm{e}\mathrm{s}\mathrm{a}\mathrm{m}\mathrm{t}}={\eta }_1\cdot {\eta }_2\cdot \dots$

Modellbeispiel: Ein Ladevorgang habe 90 % Wirkungsgrad, der Speicher halte die Energie ohne weitere Verluste und die Rückwandlung habe 80 %. Dann beträgt der Gesamtwirkungsgrad:

${\eta }_{\mathrm{g}\mathrm{e}\mathrm{s}\mathrm{a}\mathrm{m}\mathrm{t}}=\mathrm{0,90}\cdot \mathrm{0,80}=\mathrm{0,72}=72\mathrm{\%}$

Das Beispiel zeigt, warum zusätzliche Umwandlungsschritte sorgfältig geprüft werden müssen. Trotzdem kann ein Speicher sinnvoll sein, wenn Energie zeitlich verschoben, mobil bereitgestellt oder ein Netz stabilisiert werden soll.

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Interaktive Vertiefungsmedien

Für selbstständiges Lernen eignen sich ergänzend geprüfte Lernangebote:

1. Virtuelles Energie-Labor von Planet Schule: Untersuche eine Kette aus Gewicht, Dynamo, Akku, Lampe, Solarzelle und Motor.
2. Energie bei LEIFIphysik: Wiederhole Energieformen, Umwandlung, Energieerhaltung, Arbeit und Leistung.
3. ZDF goes Schule – Lithium-Ionen-Batterie: Vertiefe den Aufbau eines elektrochemischen Speichers.
4. alpha Lernen – Wärmelehre: Vertiefe Wärmeleitung, Wärmeströmung und Wärmestrahlung.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Aussage beschreibt den Energieerhaltungssatz richtig? (Energie kann umgewandelt und übertragen werden, die Gesamtenergie bleibt in einem abgeschlossenen System erhalten) (!Energie verschwindet bei Reibung vollständig) (!Energie kann aus dem Nichts erzeugt werden) (!Nur mechanische Energie kann erhalten bleiben)

Welche Energieform besitzt angehobenes Wasser in einem Oberbecken vor allem? (Lageenergie) (!Bewegungsenergie) (!Strahlungsenergie) (!Schallenergie)

Welche Energieform wird in einem geladenen Akku hauptsächlich gespeichert? (Chemische Energie) (!Bewegungsenergie) (!Lageenergie) (!Schallenergie)

Welche Energieübertragung benötigt kein stoffliches Medium? (Wärmestrahlung) (!Wärmeleitung) (!Konvektion) (!Stofftransport)

Was geschieht in einem Generator hauptsächlich? (Mechanische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt) (!Elektrische Energie wird nur in Wärme umgewandelt) (!Chemische Energie wird direkt in Lageenergie umgewandelt) (!Strahlungsenergie wird direkt in Kernenergie umgewandelt)

Warum nutzt man für weite elektrische Energieübertragung hohe Spannungen? (Bei gleicher Leistung kann dadurch die Stromstärke und damit die Leitungsverlustleistung verringert werden) (!Damit Leitungen absichtlich stärker erwärmt werden) (!Damit der elektrische Widerstand jeder Leitung automatisch null wird) (!Damit keine Transformatoren benötigt werden)

Welche Energiekette passt am besten zu einer Solarzelle mit anschließendem Elektromotor? (Strahlungsenergie zu elektrischer Energie zu Bewegungsenergie) (!Bewegungsenergie zu Kernenergie zu Schallenergie) (!Lageenergie zu chemischer Energie zu Strahlungsenergie) (!Thermische Energie zu Lageenergie zu Kernenergie)

Was gibt der Wirkungsgrad eines Geräts an? (Das Verhältnis von gewünschter Nutzenergie zur zugeführten Energie) (!Die gesamte Masse des Geräts) (!Die elektrische Spannung unabhängig vom Energieumsatz) (!Die Zeit bis zum Einschalten)

Welche Aussage unterscheidet Energieübertragung und Energieumwandlung richtig? (Bei Übertragung wechselt Energie zwischen Systemen, bei Umwandlung ändert sich die beschreibende Energieform) (!Beide Begriffe bedeuten immer genau dasselbe) (!Energieübertragung ist nur bei Wärme möglich) (!Energieumwandlung ist nur bei Batterien möglich)

Welche Größe wächst bei gleicher Masse quadratisch mit der Geschwindigkeit? (Bewegungsenergie) (!Lageenergie) (!Temperatur) (!Elektrischer Widerstand)

Memory

Lageenergie	angehobenes Wasser
Bewegungsenergie	fahrendes Fahrrad
Spannenergie	gespannte Feder
Chemischer Speicher	Akkumulator
Thermischer Speicher	Warmwassertank
Wärmeleitung	Metalllöffel
Konvektion	aufsteigende Warmluft
Wärmestrahlung	Sonnenlicht

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Lageenergie	Pumpspeicher
Chemische Energie	Akku
Bewegungsenergie	Schwungrad
Spannenergie	Feder
Wärmeleitung	Metallstab
Konvektion	Luftströmung

Kreuzworträtsel

Lageenergie	Welche Energie besitzt ein angehobener Körper im Gravitationsfeld?
Akkumulator	Wie heißt ein wiederaufladbarer elektrochemischer Energiespeicher?
Konvektion	Wie heißt Wärmeübertragung durch strömende Flüssigkeiten oder Gase?
Generator	Welches Gerät wandelt mechanische Energie in elektrische Energie um?
Wirkungsgrad	Wie heißt das Verhältnis von Nutzenergie zu zugeführter Energie?
Fotosynthese	Welcher Prozess speichert einen Teil der Sonnenenergie chemisch in Pflanzen?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Die Einheit der Energie heißt .

Bei einem angehobenen Körper ist Energie als gespeichert.

Ein bewegter Körper besitzt .

Ein Akku speichert Energie überwiegend in Form.

Ein Pumpspeicherkraftwerk nutzt die Höhe des Wassers als .

Energieübertragung durch strömende Flüssigkeiten oder Gase heißt .

Energieübertragung durch elektromagnetische Wellen heißt .

Ein Generator wandelt mechanische Energie in Energie um.

Das Verhältnis von Nutzenergie zu zugeführter Energie heißt .

Bei Reibung wird mechanische Energie häufig in Energie umgewandelt.

Eine hohe Übertragungsspannung ermöglicht bei gleicher Leistung eine kleinere .

Bei der Fotosynthese wird ein Teil der Strahlungsenergie als Energie gespeichert.

Offene Aufgaben

Leicht

1. Energiekette im Alltag: Wähle ein Gerät aus Deinem Alltag und zeichne eine Energiekette vom Speicher oder Netz bis zur sichtbaren Wirkung. Markiere mindestens eine unerwünschte Energieabgabe.
2. Speicher-Fotoreportage: Fotografiere oder skizziere vier Energiespeicher in Schule, Haushalt oder Verkehr und ordne jedem die gespeicherte Energieform zu.
3. Wärmewege entdecken: Finde je ein Alltagsbeispiel für Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung und erkläre, woran Du den jeweiligen Mechanismus erkennst.
4. Energie-Pantomime: Entwickle mit einer kleinen Gruppe eine kurze stumme Darstellung einer Energiekette. Die Klasse identifiziert anschließend die Energieformen und Umwandlungen.

Standard

1. Pendel untersuchen: Filme ein Pendel in Zeitlupe, markiere drei charakteristische Positionen und erläutere dort Lageenergie, Bewegungsenergie und Energieabgabe an die Umgebung.
2. Akku-Steckbrief: Recherchiere zu einem schulgeeigneten Akkutyp Energieinhalt, Spannung, typische Nutzung, Vorteile und Grenzen. Unterscheide Energieinhalt und elektrische Ladungsmenge.
3. Wirkungsgrad messen: Plane eine einfache Untersuchung an einem Energiewandler, erhebe Messwerte und stelle Eingangs- und Nutzenergie in einem Energieflussdiagramm dar.
4. Pumpspeicher-Modell: Baue oder zeichne ein Funktionsmodell mit Oberbecken, Pumpe, Turbine und Generator und dokumentiere für Laden und Entladen jeweils die Energiekette.

Schwer

1. Mikronetz planen: Entwirf für eine fiktive Berghütte ein System aus Energiequelle, zwei Speichertypen und Verbrauchern. Begründe Deine Auswahl mit mindestens vier technischen Kriterien.
2. Rekuperation analysieren: Erkläre die Energiekette eines Elektrofahrzeugs beim Beschleunigen und Bremsen. Begründe, weshalb nicht die gesamte Bewegungsenergie zurückgewonnen wird.
3. Netzverluste modellieren: Erstelle eine Tabellenkalkulation oder ein selbst entwickeltes Diagramm, das die Leitungsverlustleistung in Abhängigkeit von der Stromstärke bei festem Widerstand zeigt, und interpretiere den quadratischen Zusammenhang.
4. Speicher-Debatte: Vergleiche Akku, Pumpspeicher, Wasserstoff und Wärmespeicher für eine konkrete Anwendung. Entwickle eine begründete Rangfolge und verteidige sie in einer moderierten Diskussion.

Lernkontrolle

1. Unbekanntes Gerät analysieren: Du erhältst ein Energieflussdiagramm eines unbekannten Geräts. Bestimme eine plausible Funktion, berechne den Wirkungsgrad und begründe, welche Energieabgabe technisch reduziert werden sollte.
2. Speicherentscheidung: Eine Solaranlage liefert mittags Überschüsse, während abends Strom und Warmwasser gebraucht werden. Entwickle eine Speicherstrategie und begründe, ob ein oder mehrere Speichertypen sinnvoll sind.
3. Übertragungswege vergleichen: Vergleiche mechanische, elektrische und thermische Energieübertragung an einem selbst gewählten technischen System. Zeige, wo jeweils Umwandlungen stattfinden.
4. Hochspannungsargument: Erkläre mit $P=UI$ und $P_{\mathrm{V}}=I^{2}R$, warum eine hohe Spannung die Fernübertragung effizienter machen kann. Nutze ein selbst gewähltes Zahlenbeispiel.
5. Fehlerdiagnose: Beurteile die Aussage „Beim Bremsen verschwindet Bewegungsenergie“. Korrigiere sie fachlich und beschreibe mindestens zwei mögliche Energiepfade beim Bremsen.
6. Gesamtsystem bewerten: Ein System besteht aus drei hintereinander geschalteten Energiewandlern. Entwickle plausible Wirkungsgrade, berechne den Gesamtwirkungsgrad und erkläre, weshalb eine Optimierung eines einzelnen Bauteils nicht automatisch das Gesamtsystem optimal macht.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du Energie nicht nur benennen, sondern Systeme analysieren, modellieren und bewerten kannst.

1. Energieformen: Bewegungs-, Lage-, Spann-, chemische, innere beziehungsweise thermische, elektrische und Strahlungsenergie sicher erkennen und sinnvoll verwenden.
2. Energiespeicher: Speicherprinzip und gespeicherte Energieform unterscheiden sowie geeignete technische Beispiele erläutern.
3. Energieübertragung: mechanische, elektrische und thermische Übertragungswege beschreiben und von Energieumwandlung abgrenzen.
4. Energieumwandlung: Energieketten und Energieflussdiagramme mit Nutz- und Nebenpfaden erstellen.
5. Energieerhaltung: scheinbare Energieverluste als Umwandlung oder Abgabe an andere Systeme erklären.
6. Wirkungsgrad: Energiebilanzen aufstellen, Wirkungsgrade berechnen und Ergebnisse interpretieren.
7. Leistung: Energie und Leistung unterscheiden und mit $P=E/t$ arbeiten.
8. Experimentieren: eine Untersuchung planen, sicher durchführen, Messwerte dokumentieren und fachlich auswerten.
9. Bewertung: Speicher und Übertragungssysteme anhand mehrerer Kriterien vergleichen und eine begründete Entscheidung treffen.

OERs zum Thema

Weitere frei zugängliche Lernangebote findest Du bei LEIFIphysik, Planet Schule und ZDF goes Schule. Besonders hilfreich sind interaktive Energieumwandlungs-Labore und kurze Erklärvideos, wenn Du dabei stets selbst Energieketten und Energiebilanzen notierst.

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