Kann man Elektrizität speichern?

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?

Gute Frage!

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.

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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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?

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.

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Wie funktioniert ein Elektromotor?

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.

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Was ist der Unterschied zwischen Spannung und Strom?

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

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Woran hat Marietta Blau geforscht?

Woran hat Marietta Blau geforscht?

Marietta Blau war eine österreichische Physikerin, die eine photografische Methode entwickelt hat, mit der man den Zerfall von Elementarteilchen sichtbar machen konnte: die Zertrümmerungssterne. Zertrümmerungssterne sind Spuren der Kernreaktionen, die die Bestrahlung von Fotoplatten mit hochenergetischer Strahlung bewirkt.

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Warum ist Albert Einstein bedeutend?

Warum ist Albert Einstein bedeutend?

Albert Einstein hat die Relativitätstheorie entwickelt, die zum ersten Mal zeigte, dass Raum und Zeit nicht unveränderlich sind, und dass Masse und Energie ineinander umgewandelt werden können. Er erhielt den Nobelpreis nicht für die Relativitätstheorie, sondern für die Erklärung des photoelektrischen Effektes, der einer der experimentellen Ausgangspunkte für die Überlegungen der Quantenmechanik ist.

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Welche Bedeutung hat Galileo Galilei für die Naturwissenschaften?

Welche Bedeutung hat Galileo Galilei für die Naturwissenschaften?

Galileo Galilei (1564-1642) war ein italienischer Mathematiker, Physiker und Astronom, der bahnbrechende Entdeckungen auf mehreren Gebieten der Naturwissenschaften machte.

Man kann einen Menschen nichts lehren, man kann ihm nur helfen, es in sich selbst zu entdecken. — Galileo Galilei

Alle Körper fallen gleich schnell? Probiere es aus. Wenn die Form gleich ist. Die Masse ist egal.

In wissenschaftlicher Sicht ist Galileos streng mathematische und geometrische Vorgehensweise bemerkenswert und prägend. Er beschäftigte sich sein ganzes Leben lang mit „gleichmäßig beschleunigten Bewegungen“, und verwendete das Konzept einer schiefen Ebene um die Fallgesetze (wie sich die Gravitation der Erde auf den freien Fall eines Objektes auswirkt) zu studieren und zu prüfen. Vorallem kam er zu dem wichtigen Schluss, dass im Vakuum alle Objekte die gleiche Beschleunigung erfahren – völlig unabhängig von Dichte, Masse und Volumen!

Außerdem ist er der Begründer der Elastiziätstheorie, da er als erster feststellte dass ein Balken eine höhere Tragefähigkeit besitzt, wenn er hochkant aufgestellt wird und nicht flach. Diese Erkenntnis ist heutzutage zum Beispiel im Bauwesen von höchster Bedeutung, webenso wie es die Elastizitätstheorie an sich für die Berechnung der Festigkeit von Stoffen ist.

Desweiteren war er auch Erfinder, und erfand zum Beispiel Konzepte von Kerzen und Spiegeln, die das Licht durch ein gesamtes Haus leiten sollten, einen Tomatenpflücker, und den Vorläufer des Kugelschreibers.

Bis zur Zeit Galileis glaubte man, an dem mit leuchtenden Sternen übersäten Himmel sei alles vollkommen, nichts würde sich jemals verändern, und Bewegung, Geburt und Tod gäbe es nur auf der Erde.

Als Galilei sein Fernrohr auf den Himmel und die Sterne richtete, kam er zu einer verblüffenden Erkenntnis: Auf der Sonne gab es Flecken, der Planet Jupiter hatte vier Monde, die Oberfläche des Mondes ist rau, die über den Himmel ziehenden Kometen streiften manchmal fast die Erde kurzum, dort oben am Himmel, wie unten auf der Erde, gab es Bewegung und Veränderung und, dass die Venus Phasen zeigt – sich in Folge also nicht um die Erde, sondern um die Sonne dreht! Galileo leistete also einen großen Beitrag zur Prägung und Überprüfung des damals neuen Heliozentrischen Weltbildes.

Wie es ist und wie es scheint

Galilei ahnte, dass sowohl am Himmel als auch auf der Erde dieselben Naturgesetze herrschen. Wenn man die auf unserem Planeten herrschenden Bewegungen erklären kann, müsste man demzufolge auch verstehen, wie sich die Himmelskörper bewegen.

Doch so einfach ist die Sache nicht, denn oft scheinen die äußeren Erscheinungen den wissenschaftlichen Erkenntnissen zu widersprechen, und die Beobachtung allein genügt nicht:

Eine rollende Kugel wird nach einer gewissen Zeit langsamer und bleibt schließlich liegen. Je glatter die Kugel und je ebener die Fläche ist, desto länger hält die Bewegung an. Eine absolut vollkommene Kugel würde demnach auf einer ebenso vollkommenen, keinerlei Reibung verursachenden ebenen Fläche ewig weiterrollen.

Ein schwingendes Pendel zum Beispiel steigt praktisch auf dieselbe Höhe, von der es losgelassen wurde, da es nur sehr schwachen Widerständen ausgesetzt ist.

“Wenn man die Bewegung nicht begreift, kann man auch die Natur nicht begreifen” davon war Galilei überzeugt. Deshalb begann er, die Bewegung fallender Körper zu studieren.

Eine Metallkugel scheint schneller zu fallen als eine Baumwollkugel, doch wenn man eine Kugel aus dicht zusammengepresster Baumwolle und ein dünnes, breites Metallblatt beobachtet, so scheint die Baumwolle schneller zu fallen als das Metall.

Daraus schloss Galilei, dass der Schein trügt und dass alle Körper mit der gleichen Geschwindigkeit fallen, sobald man den Widerstand der Luft ausschließt und einen luftleeren Raum schafft.

Zwei Wahrheiten können sich nie widersprechen. — Galileo Galilei

Der Überlieferung nach führte Galilei zahlreiche Experimente durch, bei denen er verschiedene Gegenstände vom berühmten Schiefen Turm von Pisa fallen ließ und die Zeit ihres Falls maß. Denn um die Bewegung richtig zu verstehen, so Galilei, muss man “eine Gleichung aufstellen”. Tatsächlich führte Galilei die Experimente auf schiefen Ebenen durch. Die Geschwindigkeit der rollenden Kugeln machte er durch Glocken hörbar, so dass etwaige Unterschiede besser wahrgenommen werden konnten.

Das “Große Buch der Welt” war für ihn in einer mathematischen Sprache geschrieben, deren Buchstaben Zahlen und geometrische Figuren waren. Trotz der Unzulänglichkeiten der Mittel jener Zeit gelang es Galilei, einfache Gesetze der Bewegung zu formulieren.

Erst die Entdeckung der Infinitesimalrechnung im ausgehenden 17. Jahrhundert machte es möglich, die von Galilei entdeckten Naturgesetze in mathematische Formeln zu fassen.

Die Entdeckungen, die ihm sein Fernrohr erlaubte, banden ihn endgültig an die Lehre des Kopernikus: die Sonne ist im Mittelpunkt des Planetensystems, nicht die Erde. Sein Eintreten für diese Lehre brachte ihn in Konflikt mit der Inquisition. Er wurde nach Rom zitiert, verhört und in Haft gehalten. Man drohte ihm die Folter an – Galilei widerrief seine Lehre und schwor ihr ab. Theoretisch blieb er bis zu seinem Tode ein Gefangener der Inquisition – allerdings ohne Kerker und Ketten. 1633 gestattete ihm der Papst, sich auf sein Landgut Arcetri zurückzuziehen. Hier schuf er sein eigentliches Hauptwerk, die Fall- und Trägheitsgesetze. Das Buch über diese Gesetze erschien, nachdem es nach Holland geschmuggelt worden war, erst 1638, weil es selbst in Leiden und Amsterdam keinen Verleger fand.

Galilei wurde zum Vater der “klassischen Physik”. Seine eigentliche Leistung besteht darin, dass er das Experiment als wesentliches Mittel zur Erkenntnis von “Naturgesetzen” erkannte. Er starb am 8. Januar 1642 in Arceti bei Florenz.

Galilei schaut durch das Fernrohr: Portrait des Wissenschaftlers und seiner Leistungen. Download.

Ein informatives Video zu seinem Lebenslauf (Englisch):
https://www.youtube.com/watch?v=rgmpYmbqUuA