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Physik

Wenn der Wind nicht weht: Energie speichern

Sonne und Wind liefern mal viel, mal wenig. Speicher gleichen das aus. Du rechnest die Energie eines Pumpspeichers aus.

  • ca. 12 Minuten
  • Klasse 10
  • Niveau: Standard

Das lernst du heute

  • Ich kann erklären, warum schwankende Energie ein Problem ist.
  • Ich kann Speicherarten beschreiben.
  • Ich kann die gespeicherte Energie eines Pumpspeichers berechnen.

Das brauchst du schon: Vielleicht hilft dir zuerst eine dieser Lektionen: Lageenergie berechnen, Energiebedarf berechnen: die Kilowattstunde

Die Erzeugung im Netz muss in jedem Moment so groß sein wie der Verbrauch. Sonne und Wind liefern aber schwankend. Nachts scheint keine Sonne. An manchen Tagen weht kaum Wind. An anderen Tagen gibt es mehr Strom, als gebraucht wird. Dieses Problem heißt schwankende Verfügbarkeit. Eine Lösung sind Speicher. Sie nehmen Energie auf, wenn es zu viel gibt, und geben sie ab, wenn sie fehlt. Beim Pumpspeicher pumpt man bei Überschuss Wasser in ein hoch gelegenes Becken. Die Energie steckt dann als Lageenergie im Wasser. Bei Bedarf fließt das Wasser durch Turbinen nach unten und treibt Generatoren an. Die Lageenergie berechnest du mit E = m · g · h. Hier ist m die Masse, g etwa 10 N/kg und h die Höhe. Andere Speicher sind Batterien und Akkus, die Energie chemisch speichern. Auch Wasserstoff kann Energie speichern. Man stellt ihn mit Strom her und verbrennt ihn später oder nutzt ihn in einer Brennstoffzelle. Bei jeder Umwandlung geht ein Teil der Energie als Wärme verloren. Pumpspeicher haben einen Gesamtwirkungsgrad von etwa 70 bis 80 %.

Speicherarten im Vergleich.
SpeicherEnergieform im SpeicherGut geeignet für
PumpspeicherLageenergie des Wassersgroße Mengen, Stunden bis Tage
Akku, Batteriechemische Energiekleine bis mittlere Mengen, schnelle Reaktion
Wasserstoffchemische Energiegroße Mengen über lange Zeit, aber mit größeren Verlusten
Wärmespeicher (Heißwasser)innere EnergieHeizen und Warmwasser

Energie im Pumpspeicher

  1. Gegeben: 18 000 m³ Wasser, Höhe 200 m, g = 10 N/kg.
  2. 1 m³ Wasser hat eine Masse von 1000 kg. Also m = 18 000 · 1000 kg = 18 000 000 kg.
  3. E = m · g · h = 18 000 000 · 10 · 200 J = 36 000 000 000 J.
  4. Umrechnen: 1 kWh = 3 600 000 J. Also 36 000 000 000 : 3 600 000 = 10 000 kWh.
  5. Ergebnis: Das Becken speichert 10 000 kWh. Ein Haushalt mit mehreren Personen braucht im Jahr grob 3 000 kWh Strom (Richtwert).

Ich verstehe das noch nicht

Such dir aus, was dir hilft.

Noch einfacher erklärt

Manchmal gibt es zu viel Strom, manchmal zu wenig.

Ein Speicher gleicht das aus.

Er erzeugt keine Energie.

Ein Beispiel

Beispiel

Ein Wasserbecken auf dem Berg ist wie ein geladener Akku. Fließt das Wasser nach unten, treibt es eine Turbine an. Pumpt man es wieder hoch, lädt man den Speicher auf.

Schritt für Schritt

Du rechnest die Energie in drei Schritten.

  1. Rechne die Masse in kg: 1 m³ Wasser = 1000 kg.
  2. Setze in E = m · g · h ein. Das Ergebnis ist in Joule.
  3. Teile durch 3 600 000, um kWh zu erhalten.

Mit einem Bild erklärt

GrößeWertEinheit
Masse m18 000 000kg
g10N/kg
Höhe h200m
Energie E36 000 000 000J
Energie E10 000kWh

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Ausprobieren

Jetzt zusammen

Wir lösen die Aufgabe gemeinsam. Nutze die Hilfen, wenn du sie brauchst.

1 m³ Wasser (1000 kg) wird 100 m hochgepumpt. Rechne mit g = 10 N/kg. Wie viele Megajoule (MJ) Lageenergie sind das? 1 MJ = 1 000 000 J.

Zeig mir den ersten Schritt

Rechne E = 1000 · 10 · 100 in Joule und teile durch 1 000 000.

Lösung ansehen

Lösung: 1

E = 1000 · 10 · 100 J = 1 000 000 J = 1 MJ.

Üben

Jetzt du

Jetzt probierst du es allein.

Ein Pumpspeicher hat 18 000 m³ Wasser, die 200 m hoch liegen (g = 10 N/kg). Wie viele kWh sind gespeichert? 1 kWh = 3 600 000 J.

Zeig mir den ersten Schritt

Berechne E in Joule und teile durch 3 600 000.

Lösung ansehen

Lösung: 10000

E = 18 000 000 · 10 · 200 J = 36 000 000 000 J. Geteilt durch 3 600 000 sind das 10 000 kWh.

Tipp: Achte auf die Einheiten: 1 kWh = 3,6 Millionen Joule. Rechne erst in Joule, dann in kWh.

Merksatz: Speicher gleichen schwankende Erzeugung aus. Lageenergie E = m · g · h. Jede Umwandlung hat Verluste.

Typischer Fehler: Viele denken, ein Speicher erzeuge Energie. Er speichert nur Energie, die vorher erzeugt wurde. Dabei gehen Teile als Wärme verloren.

Prüfen

Mini-Quiz

4 kurze Fragen, ohne Noten. Bei jeder Frage kannst du dir die Lösung ansehen.

Frage 1 Welche Energieform steckt im gefüllten Becken eines Pumpspeichers?
Zeig mir den ersten Schritt

Wo befindet sich das Wasser?

Lösung ansehen

Lösung: Lageenergie

Frage 2 Ein Speicher erzeugt zusätzliche Energie.
Lösung ansehen

Lösung: Stimmt nicht

Frage 3 Was ist das Problem der schwankenden Verfügbarkeit?
Lösung ansehen

Lösung: Erzeugung und Verbrauch passen nicht immer zusammen.

Frage 4 Wie wird Energie in einem Akku gespeichert?
Lösung ansehen

Lösung: als chemische Energie

Geschafft

Sonne und Wind schwanken. Speicher nehmen Energie bei Überschuss auf und geben sie bei Mangel ab. Beim Pumpspeicher gilt E = m · g · h.

Zum Schluss

Kannst du das schon?

Hake ab, was du schon kannst. Was noch fehlt, schaust du dir einfach noch einmal an.

Zum Ausdrucken

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