Physik Realschule Bayern › Energie › Jahrgangsstufe 10
Energiespeicherung
Physik · Realschule · Jahrgangsstufe 10 · Bayern · Teilbereich Energie
Im Lernbereich Energieversorgung der 10. Jahrgangsstufe beschreiben Lernende chemische, mechanische und thermische Energiespeicher und erklären das Pumpspeicherkraftwerk. Speicher gleichen die schwankende Erzeugung aus Wind und Sonne aus und sind ein Schlüssel der nachhaltigen Energieversorgung.
Warum man Energie speichern muss
Strom aus Wind und Sonne fällt nicht immer dann an, wenn er gebraucht wird: mittags viel Sonne, nachts keine; mal viel Wind, mal Flaute. Der Bedarf schwankt anders. Damit trotzdem jederzeit genug Strom da ist, muss man Energie speichern: In Zeiten mit Überschuss wird sie eingelagert und bei Bedarf wieder abgegeben. Man unterscheidet drei Gruppen von Speichern.
Drei Arten von Energiespeichern
| Speicherart | Prinzip | Beispiele |
| chemisch | Energie in Stoffen gebunden | Akkumulatoren (Akkus), Wasserstoff |
| mechanisch | als Lage- oder Bewegungsenergie | Pumpspeicherkraftwerk, Schwungrad, Druckluft |
| thermisch | als innere Energie (Wärme) | Warmwasserspeicher, Salzspeicher |
Das Pumpspeicherkraftwerk
Das wichtigste Beispiel ist das Pumpspeicherkraftwerk, ein mechanischer Speicher. Bei Stromüberschuss pumpt man Wasser in ein höher gelegenes Becken (elektrische Energie wird zu Lageenergie). Bei Strombedarf lässt man das Wasser wieder herab; es treibt eine Turbine mit Generator an (Lageenergie wird wieder zu elektrischer Energie).
Beispiel 1: Wie viel Energie speichert ein Pumpspeicher?
In einem Pumpspeicherkraftwerk werden \(2000\,\mathrm{t}=2\,000\,000\,\mathrm{kg}\) Wasser um \(h=100\,\mathrm{m}\) hochgepumpt. Wie viel Lageenergie wird gespeichert? \(\left(g=10\,\mathrm{\frac{N}{kg}}\right)\)
Gegeben: \(m=2\,000\,000\,\mathrm{kg}\), \(h=100\,\mathrm{m}\), \(g=10\,\mathrm{\frac{N}{kg}}\)
Gesucht: gespeicherte Lageenergie \(E_{\mathrm{pot}}\)
Formel: \(E_{\mathrm{pot}}=m\cdot g\cdot h\)
\( E_{\mathrm{pot}}=2\,000\,000\,\mathrm{kg}\cdot 10\,\mathrm{\tfrac{N}{kg}}\cdot 100\,\mathrm{m}=2\,000\,000\,000\,\mathrm{J}=2\,\mathrm{GJ} \)
Antwort: Es werden \(2\,\mathrm{GJ}\) (zwei Milliarden Joule) gespeichert. Das Pumpspeicherkraftwerk ist wie eine riesige, wieder aufladbare Batterie aus Wasser und Höhe.
Kein Speicher ist verlustfrei: Beim Pumpen und beim Erzeugen geht Energie durch Reibung und Erwärmung verloren. Der Wirkungsgrad eines Pumpspeicherkraftwerks liegt bei etwa \(75\,\%\) bis \(80\,\%\).
Beispiel 2: Speicher den Energieträgern zuordnen
Ordne zu, welche Energieform jeweils gespeichert wird: (a) Autobatterie, (b) Pumpspeicher, (c) Warmwasserspeicher, (d) Wasserstofftank.
| Speicher | gespeicherte Energieform | Gruppe |
| Autobatterie | chemische Energie | chemisch |
| Pumpspeicher | Lageenergie | mechanisch |
| Warmwasserspeicher | innere Energie (Wärme) | thermisch |
| Wasserstofftank | chemische Energie | chemisch |
| Schwungrad | Bewegungsenergie | mechanisch |
Antwort: Chemische Speicher binden Energie in Stoffen, mechanische in Lage- oder Bewegungsenergie, thermische in Wärme. Für die Energiewende braucht man viele verschiedene Speicher: kurzfristige (Akkus, Schwungrad) und langfristige (Wasserstoff, Pumpspeicher).
Typische Fehler und Prüfungstipps
- Speicher erzeugt Energie: Ein Speicher erzeugt keine Energie, er nimmt sie auf und gibt sie später wieder ab.
- Speicher ohne Verluste: Bei jedem Speichern und Entnehmen geht ein Teil verloren; der Wirkungsgrad ist kleiner als \(100\,\%\).
- Masse in Tonnen gelassen: Für Joule die Masse in Kilogramm einsetzen (\(1\,\mathrm{t}=1000\,\mathrm{kg}\)).
- Pumpspeicher als chemischer Speicher: Er ist ein mechanischer Speicher (Lageenergie des Wassers).
- Nur eine Speicherart: Die Energiewende braucht einen Mix aus chemischen, mechanischen und thermischen Speichern.
Üben: Aufgaben zur Energiespeicherung
Der Aufgabengenerator erstellt Aufgaben zu den Speicherarten, zum Pumpspeicherkraftwerk und zur gespeicherten Energie, mit Lösungsweg und als PDF druckbar.
Vorheriges Thema: Gekoppelte Systeme und Nachhaltigkeit
Nächstes Thema: Energieübertragung über weite Strecken
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