Energiespeicherung und nachhaltige Energieversorgung
Ein windstiller Winterabend: Die Sonne ist untergegangen, kein Lüftchen weht, und trotzdem schalten viele Menschen Licht, Herd und Heizung ein. An einem sonnigen Sommermittag ist es umgekehrt: Die Solaranlagen liefern mehr Strom, als gerade gebraucht wird.
Dein Handy zeigt das Problem im Kleinen. Der Akku hebt Energie für später auf. Beim Laden werden aber Ladegerät und Akku warm: Ein Teil der Energie geht als Wärme verloren.
Du lernst, welche Energiequellen sich verbrauchen und welche nicht, wie man Energie aufhebt und transportiert, warum jede Nutzung Energie entwertet und wie man beim Kauf und Gebrauch von Geräten Energie spart.
Erneuerbare und erschöpfbare Energiequellen
Erschöpfbare Energiequellen haben einen begrenzten Vorrat, der nach menschlichen Maßstäben nicht nachwächst. Dazu gehören die fossilen Brennstoffe Kohle, Erdöl und Erdgas, die vor vielen Millionen Jahren aus Pflanzen und Kleinstlebewesen entstanden sind, und der Kernbrennstoff Uran. Beim Verbrennen fossiler Brennstoffe entsteht Kohlenstoffdioxid, das den Treibhauseffekt verstärkt.
Erneuerbare Energiequellen liefert die Natur laufend nach: Sonnenstrahlung, Wind, Wasserkraft, Biomasse (Holz, Pflanzen) und Erdwärme. Wind, Wasserkreislauf und Biomasse gehen auf die Sonne zurück. Wer sie nutzt, verbraucht ihren Vorrat nicht.
Erneuerbar heißt nicht folgenlos. Windräder, Stauseen und Solaranlagen brauchen Fläche, Material und Energie für den Bau und greifen in die Natur ein. Außerdem liefern Wind und Sonne nicht dann, wann man sie braucht. Eine Energieversorgung nennt man nachhaltig, wenn sie den heutigen Bedarf deckt, ohne künftigen Generationen die Möglichkeiten zu nehmen.
Energiespeicherung
Ein Energiespeicher nimmt Energie auf, hält sie und gibt sie später wieder ab. Elektrische Energie lässt sich in großen Mengen nicht direkt speichern. Man wandelt sie deshalb in eine speicherbare Energieform um und später zurück.
| Speicher | gespeicherte Energie | Funktion |
|---|---|---|
| Pumpspeicherkraftwerk | Lageenergie des Wassers | Bei Stromüberschuss pumpt es Wasser in ein hoch gelegenes Becken, bei Bedarf läuft es durch Turbinen zurück. |
| Akku | chemische Energie | Handy, Elektroauto, Heimspeicher |
| Wasserstoff | chemische Energie | Strom zerlegt Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Der Wasserstoff kann später verbrannt oder in einer Brennstoffzelle wieder zu Strom werden. |
| Wärmespeicher | thermische Energie | Warmwasserspeicher |
| Kohle, Erdgas | chemische Energie | Sonnenenergie, die vor Millionen Jahren gebunden wurde |
Jeder Speicher verliert beim Laden und beim Entladen Energie, meist als Wärme. Der Wirkungsgrad des ganzen Vorgangs ist das Produkt der beiden Einzelwirkungsgrade. Er liegt bei Pumpspeicherkraftwerken bei etwa 75 bis 80 %, bei Akkus bei etwa 90 %, bei Wasserstoff nur bei etwa 30 bis 40 %:
Ein Pumpspeicherkraftwerk
Ein Pumpspeicherkraftwerk
Ein Pumpspeicherkraftwerk nimmt bei Stromüberschuss 1000 MWh aus dem Netz auf. Beim Hochpumpen werden (angenommen) 90 % davon zu Lageenergie des Wassers. Beim Zurückfließen werden 85 % der Lageenergie wieder zu elektrischer Energie. Wie viel Energie gibt es ab, und wie groß ist der Gesamtwirkungsgrad?
Nach dem Hochpumpen: 90 % von 1000 MWh = 900 MWh Lageenergie.
Zurück ins Netz: 85 % von 900 MWh = 765 MWh.
Gesamtwirkungsgrad: 765 MWh : 1000 MWh = 0,765, also 76,5 %. Zur Kontrolle: 0,90 mal 0,85 = 0,765. Die übrigen 235 MWh werden in Pumpe, Rohren, Turbine und Generator zu Wärme.
Energietransport
Energie muss von der Quelle zum Verbraucher gelangen. Das geschieht auf verschiedenen Wegen: elektrische Energie in Leitungen (bei Hochspannung mit geringem Verlust), Erdgas und Erdöl in Rohrleitungen und Schiffen, Kohle auf Schiene und Schiff, Wärme als heißes Wasser in Fernwärmenetzen. Jeder Transport hat Verluste: Leitungen erwärmen sich, Rohre geben Wärme ab. Windstrom wird oft weit entfernt von den Verbrauchern erzeugt. Darum braucht man leistungsfähige Stromleitungen.
Wie lange reicht ein Heimspeicher?
Wie lange reicht ein Heimspeicher?
Ein Heimspeicher enthält nutzbar 10 kWh. Ein Haushalt braucht im Mittel (angenommen) eine Leistung von 0,5 kW. Wie lange reicht der Speicher? Wie lange reicht er, wenn zusätzlich ein Elektroherd mit 2,0 kW läuft?
Aus E = P mal t folgt t = E : P.
Nur Haushalt: t = 10 kWh : 0,5 kW = 20 h.
Mit Herd: Die Gesamtleistung ist 0,5 kW + 2,0 kW = 2,5 kW. Dann gilt t = 10 kWh : 2,5 kW = 4 h.
Energieentwertung
Nach dem Energieerhaltungssatz geht keine Energie verloren. Trotzdem sagt man im Alltag, Energie werde „verbraucht“. Gemeint ist: Bei jeder Umwandlung gelangt ein Teil als Wärme in die Umgebung, zum Beispiel durch Reibung im Motor, in der Glühlampe oder als Abwärme eines Kraftwerks. Diese Energie ist noch da, aber auf unzählige Teilchen der Umgebung verteilt, die dadurch nur minimal wärmer werden. Aus lauwarmer Luft kannst du die Energie nicht wieder einsammeln, um einen Motor anzutreiben. Man nennt das Energieentwertung. Sie kehrt sich nicht von selbst um.
Darum ist der Wirkungsgrad jedes Geräts kleiner als 1. Energie sparen heißt deshalb: bei gleichem Nutzen weniger Energie umwandeln und so weniger entwerten.
Gerätekennzeichnung und sparsame Energieverwendung
Beim Kauf zeigen Kennzeichnungen, wie viel Energie ein Gerät braucht. Auf dem Typenschild stehen die Betriebsspannung und die Leistung in Watt. Das EU-Energielabel an Geräten wie Kühlschränken, Waschmaschinen und Fernsehern ordnet sie in Effizienzklassen von A (sehr effizient) bis G (wenig effizient) ein und nennt den Energieverbrauch, bei Kühlgeräten in Kilowattstunden je Jahr.
Wie du im Alltag Energie sparst:
- Geräte mit guter Effizienzklasse kaufen, in passender Größe.
- Lampen mit LED statt Glühlampen nutzen.
- Geräte ganz ausschalten. Auch im Bereitschaftsbetrieb (Stand-by) fließt dauernd Leistung.
- Wärme im Haus halten, zum Beispiel durch Dämmung und geschlossene Fenster beim Heizen.
- Wäsche bei niedriger Temperatur waschen und die Maschine füllen.
Alter und neuer Kühlschrank
Alter und neuer Kühlschrank
Ein altes Kühlgerät verbraucht (angenommen) 280 kWh im Jahr, ein neues mit gleichem Nutzen 110 kWh im Jahr. Strom kostet angenommen 0,30 Euro je kWh. Wie viel Euro spart man in 15 Jahren?
Ersparnis je Jahr: 280 kWh − 110 kWh = 170 kWh.
In 15 Jahren: 170 kWh mal 15 = 2550 kWh.
Kosten: 2550 kWh mal 0,30 Euro = 765 Euro. Dagegen stehen die Anschaffungskosten des neuen Geräts. Das Energielabel hilft, beides abzuwägen.
Energie wird verbraucht
Energie wird verbraucht
„Wenn ich das Licht einschalte, wird Energie verbraucht und ist dann weg.“
Die Energie bleibt erhalten. Die Lampe wandelt elektrische Energie in Strahlungsenergie und Wärme um. Beides verteilt sich in der Umgebung, und die Energie ist entwertet, also nicht mehr nutzbar.
Erneuerbar heißt überall und immer verfügbar
Erneuerbar heißt überall und immer verfügbar
„Erneuerbare Energie ist unerschöpflich, immer verfügbar und belastet die Umwelt nicht.“
Die Quelle erneuert sich, aber Wind und Sonne schwanken je nach Wetter und Tageszeit. Darum braucht man Speicher und Netze. Die Anlagen brauchen außerdem Fläche und Rohstoffe und greifen in die Natur ein.
Zusammenfassung
Erschöpfbare Quellen (Kohle, Erdöl, Erdgas, Uran) haben einen begrenzten Vorrat. Erneuerbare Quellen (Sonne, Wind, Wasser, Biomasse, Erdwärme) liefert die Natur laufend nach, sie haben aber auch Folgen.
Energiespeicher wandeln Energie in eine speicherbare Form um, zum Beispiel in Lageenergie des Wassers, chemische Energie im Akku oder in Wasserstoff, thermische Energie im Warmwasserspeicher.
Jeder Speicher verliert Energie. Der Gesamtwirkungsgrad ist das Produkt von Lade- und Entladewirkungsgrad.
Energie wird in Leitungen, Rohren und Fernwärmenetzen transportiert, immer mit Verlusten.
Energieentwertung: Die Energie bleibt erhalten, wird aber als Wärme in der Umgebung verteilt und ist nicht mehr nutzbar.
Das EU-Energielabel nennt Effizienzklasse und Verbrauch. Sparsam ist es, bei gleichem Nutzen weniger Energie umzuwandeln, zum Beispiel mit effizienten Geräten, LED und ausgeschalteten Geräten.
Übungen
Welche dieser Energiequellen ist erschöpfbar?
Ein Speicher nimmt 100 kWh Strom auf. Der Wirkungsgrad beim Laden (Wasserstoff erzeugen) beträgt 70 %, beim Entladen (Strom zurückgewinnen) 50 %. Wie groß ist der Gesamtwirkungsgrad, in Prozent?
Was bedeutet Energieentwertung?
Ein Fernseher verbraucht im Bereitschaftsbetrieb dauernd 5 W. Wie viele Kilowattstunden sind das in einem Jahr mit 8760 Stunden?
Eine Solaranlage liefert mittags viel Strom, abends wenig. Nenne zwei Möglichkeiten, den Mittagsstrom für den Abend nutzbar zu machen, und zu jeder einen Nachteil.