Elektrizität muss genau in dem Moment erzeugt werden, in dem sie gebaucht wird.

Gibt es denn keine Möglichkeit, elektrische Energie für besondere Momente aufzubewahren?

Gute Frage!

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.

Verschiedene Kondensatoren 2

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!

batterieWir 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.

Galvanische Zelle 2009-02-08Schauen 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.

StauseeMooserboden

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.

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“.

Wie geht die Reise weiter?

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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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.

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