Warum sind Erdbeben gefährlich?
Gefahr droht für Mensch und Umwelt immer, wenn Energie übertragen wird: in einem unpassenden Moment, an einer unpassenden Stelle, in einer unpassenden Menge. Ein Erdbeben kann das alles gleichzeitig.
Warum werden bei Stromausfällen ganze Stadtteile abgeschaltet?
Unter einem Stromausfall versteht man eine unbeabsichtigte Unterbrechung der Versorgung mit Elektrizität. Stromausfälle entstehen durch eine Unterbrechung des Stromkreises oder ein Ungleichgewicht von Bereitstellung und Bedarf.
Kann man Elektrizität speichern?
Elektrizität muss genau in dem Moment erzeugt werden, in dem sie gebaucht wird.
Gibt es denn keine Möglichkeit, elektrische Energie für besondere Momente aufzubewahren?
https://www.youtube.com/watch?v=Rt7eJFvMqbg
Die Antwort reicht von “ja” bis “nein”. In geringen Mengen kann man Elektrizität in Batterien, Akkus und in Kondensatoren speichern. In größeren Mengen kann Wasser in hochgelegene Stauseen gepumpt werden, um später in Speicherkraftwerken wieder zur Erzeugung elektrischer Spannung verwendet zu werden. Das Problem dabei sind die Verluste bei den Umwandlungen der Energieformen. Schön wäre es, wenn man die viele elektrische Energie eines Blitzes aufbewahren könnte. Das geht leider derzeit nicht.
Elektrische Energie muss immer in dem Moment erzeugt werden, in dem sie gebraucht wird.
Wenn Kraftwerke mehr Energie erzeugen, dann kann diese Energie nicht direkt als elektrische Energie gespeichert werden, sondern nur durch einen Umweg: Wasserpumpen werden betrieben, die Wasser auf einen Berg-Stausee hinaufpumpen. Wird später in einer “Lastspitze” im Stromnetz wieder mehr Energie benötigt, verwendet man dieses “hohe Wasser” dazu, Generatoren anzutreiben, die diese benötigte Energie in dem Moment erzeugen, in dem sie gebraucht wird.
Jede Energieumwandlung ist allerdings mit einem Verlust verbunden, Energie geht in Form von Wärme verloren. Wir sprechen hier vom Wirkungsgrad. Je höher, desto besser, er ist aber nie 100%.
Definitionen
Energie ist gespeicherte Arbeit, ihre Einheit ist Joule. Wenn diese Arbeit darin bestand, elektrische Ladungen zu trennen, die sich sonst vermischen würden, dann nennen wir diese Arbeit elektrische Spannung, ihre Einheit ist Volt. Diese Ladungen können wieder fließen, wenn eine leitfähige Verbindung dazwischen besteht. Wir sprechen dann von elektrischem Strom, seine Einheit ist Ampere. Wie gut der Fluss der Ladungen durch diesen Leiter funktioniert, bestimmt der elektrische Widerstand, seine Einheit ist Ohm.
Elektrische Ladungen haben die Eigenschaft, sich auszugleichen. Plus und Minus ergeben “Neutral”. Wenn irgendwo die Ladungen getrennt vorliegen, dann muss das jemand durch Arbeit geschafft haben. Diese Arbeit liegt dann gespeichert als elektrische Energie in der “Getrenntheit” der Ladungen vor. Wir sprechen vom “elektrischen Potenzial”.
Elektrische Kondensatoren speichern Ladungen.
Kondensatoren bestehen aus zwei Gebieten: einem positiv geladenen Gebiet, und einem negativ geladenen Gebiet. Dazwischen befindet sich ein elektrisches Feld, in dem die Energie gespeichert ist. Es gibt Kondensatoren als einfache Energiespeicher für elektronische Geräte in vielen verschiedenen Formen.
Sie selbst
Was würden denn Sie machen? Wie könnten Sie selbst Energie speichern? Es muss nicht unbedingt elektrische Energie sein, wenn Sie möchten, speichern Sie doch auch potenzielle Energie (Höhe) oder kinetische Energie (Geschwindigkeit) oder Rotationsenergie (Drehung) oder elastische Energie (Feder) oder Druckenergie (komprimiertes Gas) oder chemische Energie (Moleküle). Probieren Sie es aus: wenn Sie auf Knopfdruck diese Energie freisetzen können, dann haben Sie es geschafft. Gilt auch als Gedankenexperiment! Schreiben Sie hier in die Kommentare, was Sie gedacht oder getan haben!
Wir erinnern uns an die Definition elektrischer Spannung: die Ladungen liegen getrennt vor. Üblicherweise würden sich + und – ausgleichen. Wer es schafft, Ladungen zu trennen und diese Trennung dann beizubehalten, hat elektrische Energie gespeichert.
Eine Batterie stellt Ladungen getrennt zur Verfügung.
Schauen wir uns die kleinste Batterie an – eine Galvanische Zelle. In ihr wird chemische Energie in elektrische Energie (Ladungstrennung) umgewandelt. Durch eine Redoxreaktion, dem gleichzeitigen Ablauf einer Oxidation (Elektronenabgabe) und Reduktion (Elektronenaufnahme). Dies passiert in zwei unterschiedlichen Metallen in einem Elektrolyt – einer leitfähigen Flüssigkeit.
Das eine Metall wird durch die Elektronenabgabe zum Pluspol der Batterie, das andere zum Minuspol. Werden die Pole verbunden, fließt Strom, wenn in der Batterie selbst die beiden Halbzellen durch eine Ionenbrücke verbunden werden, damit ein geschlossener Stromkreis hergestellt ist.
Mehrere galvanische Zellen kann man zu einer Batterie zusammenschalten. Batterien sind immer Gleichspannungsquellen. Die erste Batterie wurde 1800 von Alesandro Volta vorgestellt – ihm zu Ehren erhielt die elektrische Spannung die Einheit “Volt”.
In der Natur
Pflanzen speichern die Energie der Sonne, in dem sie mit Hilfe von Chlorophyll (grün) energiereiche Moleküle aufbauen. In Blitzen ist elektrische Energie gespeichert, weil zuvor Wetterphänomene – Wind und Wolken – Ladungen zwischen Erdoberfläche und Himmel getrennt haben. Springkräuter sind Pflanzen, deren Früchte plötzlich aufreißen, wenn sie reif sind, wie mit einem Katapult schießen sie ihre Samen weit umher. Auch ein Erdrutsch oder ein Erdbeben setzt Energie frei, die zuvor gespeichert wurde.
Speicherkraftwerke sind Energiespeicher mit einer Umwandlung der Energieform.
Elektrisch betriebene Pumpen befördern Wasser in ein hochgelegenes Reservoir, wenn zu viel elektrische Energie zur Verfügung steht. Die Energie liegt dann als potenzielle Energie vor. Wird wieder elektrische Energie benötigt, kann das Wasser wieder heruntergelassen und in Generatoren zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden.
Es gibt in Österreich einige sehr bekannte Speicherkraftwerke, zum Beispiel: das Kraftwerk Kaprun.
Water released from the Verbund Hydro Power dam, located in Austria. 20,000 liters per second, travelling at 50m/s with 190 m of water exerting pressure [watch more: https://t.co/8sqdjdqAHq] pic.twitter.com/ikgqRr5HF8
— Massimo (@Rainmaker1973) June 21, 2022
Erfindungen
Die Speicherung elektrischer Energie ist die eine Sache – sehr praktisch, weil elektrische Energie so einfach über Kabel verteilt werden kann. Es gibt aber auch Erfindungen, die andere Energiearten speichern können: Schwungräder – sie speichern durch sich drehende Massen; Federn und Katapulte – sie speichern durch die “Gespanntheit” aufgewickelter und gespannter Materialien. Insgesamt ist Batterie und Akku – die wiederaufladbare Batterie – sicherlich die bekannteste Erfindung im Bereich der Speicherung elektrischer Energie. Ziel ist, in möglichst geringer Masse möglichst viel Energie zu speichern. Dieses Verhältnis wird als Energiedichte bezeichnet.
Wir sehen also, dass Energiespeicher immer etwas mit der Umwandlung von Energieformen zu tun hat. Wie gut das funktioniert, sagt der Wirkungsgrad. Ein bestimmter Anteil der Energie geht als Wärme verloren.
Die Reise ist noch nicht zu Ende. Ständig werden die technischen Möglichkeiten verbessert, elektrische Energie zu speichern. Man denke nur an die Verbesserung der Akkus in mobilen Geräten. Sie sind leichter geworden und können mehr Energie speichern. Wir sprechen hier von der Verbesserung der “Energiedichte”.
Text und Foto der Batterie: Lothar Bodingbauer; Foto der Windräder: https://unsplash.com/@annjica; Foto der Kondensatoren und Grafik der Batterie: Wikipedia.
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Immer noch interessiert?
Gespräch über Energiespeicher: Die Physikalische Soiree 186 (Podcast): Was kann man mit überschüssiger elektrischer Energie in Österreich tun. Karl Zach von der TU Wien hat ausgerechnet, wie lange die Pumpspeicher noch reichen.
Fragen?
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Bezahlt man das E-Werk für Arbeit oder Leistung?
Strom wird in Kilowattstunden abgerechnet (kWh). Watt? Wir denken bei Watt sofort an Leistung – Energie pro Zeit – und glauben als, dass wir für Leistung auch zahlen. Aber: dem E-Werk ist es ziemlich egal, wie langsam oder schnell wir die Energie aus dem Netz ziehen. Wir bezahlen die reine Menge. Das sagt auch die Einheit Wh – Energie pro Zeit (Watt) mal Zeit – hier kürzt sich die Zeit einfach heraus, wir zahlen für Energie. Und die wird in Joule gemessen. Die Einheit Wh bzw. kWh hat sich historisch entwickelt.
Kann man mit Solarzellen genug Energie für alle erzeugen?
Der Wirkungsgrad von Solarzellen ist mit rund 20% relativ gering, es müssten große Mengen an Solarpaneele in sonnenreichen Umgebungen installiert werden, um die großen Energiemengen zur Verfügung zu stellen, die von den Verbrauchern benötigt werden.
Wie kommt der Strom in die Steckdose und warum rinnt er nicht heraus?
Der Strom kann auf mehrere Arten zu uns ins Haus gelangen, einer Methode wird im folgendem Beispiel erklärt.
Worin besteht der Vorteil unseres Wechselstromsystems?
Link zum Wikipedia Artikel über Wechselstrom
Wie funktioniert ein Elektromotor?
Ein Elektromotor beruht auf folgendem Prinzip: Ein elektrisches Kabel führt durch einen Magneten. Sobald Strom fließt, reagiert die Natur mit einer Kraft: der Lorentzkraft. Sie ist die Kraft auf eine Ladung, die sich in einem Magnetfeld befindet. Der Elektromotor ist eine geschickt gebaute Anordnung, die dieses Prinzip ausnützt, um einen Rotor in Drehung zu versetzen.
Warum elektrisiert sich ein Vogel auf der Elektroleitung nicht?
Der Vogel steht mit beiden Beinen auf derselben Spannung. Strom fließt aber nur bei Spannungsdifferenzen, es besteht daher für den Strom keine Veranlassung durch den Vogel zu fließen.
Was ist der Unterschied zwischen Spannung und Strom?
Elektrische Spannung entsteht, wenn Ladungen getrennt vorliegen. Auf der einen Seite positive Ladungen +++ und auf der andern Seite negative Ladunngen – – –
Elektrischer Strom entsteht dann, wenn es Spannung gibt. Und wenn sich die elektrischen Ladungen ausgleichen können, weil es einen elektrischen Leiter gibt. Elektrischer Strom ist das Fließen von elektrisch geladenen Teilchen.
Der elektrische Widerstand bestimmt, wie viel Strom bei gegebener Spannung fließen kann.
Wikipedia-Stichworte: Elektrizität
Was ist ein physikalisches Paradoxon?
Ein Paradoxon ist eine wohlbegründete Behauptung, die mit der gängigen Vorstellung und Meinung nicht übereinstimmt. In der Physik gibt es viele Paradoxa, die zum Teil wirklich verblüffend sind, weil sie zu bisherigen Erfahrungen des Alltags in Widerspruch stehen.
Warum müssen Physiker alles messen, um es zu glauben?
Physiker sind Naturwissenschaftler, die nach den Kriterien der Wissenschaftlichkeit arbeiten, wie sie von René Descartes formuliert wurden.
Wie entstehen Wind, Gewitter, Blitz und Donner?
Wind entsteht, wenn irgendwo mehr Luft ist, als an einer Stelle daneben. Genauso wie Sand von einem Sandberg in ein Loch daneben fließt, weht Wind. Gewitter gibt es, wenn in einer Wolke Ladungsunterschiede sind, oder Ladungsunterschiede zwischen einer Wolke und der Erde bestehen. Der Ausgleich passiert durch fließende Ladungen, so viel und stark, dass Leuchterscheinungen damit verbunden sind. Donner entsteht dabei, weil Luft schlagartig ausgedehnt wird, was sich als Knall bemerkbar macht.
Kann man das Wetter vorhersagen?
Ja, man kann man das Wetter vorhersagen: für die nächste Minute, die nächste Stunde, vielleicht auch für den kommenden Tag. Die derzeitigen Wettervorhersagen werden bis zu 6 Tage im Voraus gemacht. Je weiter man sich aber von der Gegenwart in die Zukunft vorwagt, desto mehr Rechenleistung, Messwerte, Aufwand und vor allem Unsicherheit ist mit der Wettervorhersage verbunden. Es können nur noch Wahrscheinlichkeiten angegeben werden. Großes Problem bei der Wettervorhersage ist neben den durchaus vorhandenen großen Trends die Kleinräumigkeit des Wetters.
Warum kann man durch Nebel nicht sehen?
Nebel ist die Ansammlung einer Unzahl feinster Wassertröpfen. Diese Wassertröpfchen streuen das weiße Licht der Sonne oder eines Scheinwerfers in alle Richtungen. Wir sehen also das gestreute weiße Sonnen- oder Schweinwerferlicht, wenn wir auf den Nebel sehen.
