Ein Energiespeicher hält Energie fest, bis man sie braucht: Kohle und Benzin (chemische Energie), ein gefülltes Becken am Berg (Lageenergie), ein Akku. Energieübertragung heißt, dass Energie von einem Körper oder Ort zum anderen gelangt, zum Beispiel durch Strom, Wärmestrom oder Licht. Mehrere Umwandlungen hintereinander bilden eine Energieübertragungskette, zum Beispiel Kohle (chemisch), Dampf (thermisch), Turbine (Bewegung), Generator (elektrisch).

Die Energiedichte gibt an, wie viel Energie ein Speicher je Kilogramm fasst. Ungefähre Werte:

Benzin speichert je Kilogramm etwa 60-mal so viel wie ein Akku. Darum ist es schwer, Flugzeuge und Lastwagen elektrisch zu betreiben.

Primärenergie steckt in Energieträgern, wie sie in der Natur vorkommen: Kohle, Erdöl, Erdgas, Uran, Wind, Sonnenstrahlung, Wasserkraft, Biomasse. Sekundärenergie entsteht erst durch Umwandlung: Strom, Benzin, Heizöl, Fernwärme, Wasserstoff.

Fossile Energieträger (Kohle, Erdöl, Erdgas) sind in Millionen Jahren aus Resten von Lebewesen entstanden. Sie sind erschöpflich, und ihre Verbrennung setzt CO₂ frei. Regenerative (erneuerbare) Energieträger sind Sonne, Wind, Wasser, Biomasse und Erdwärme. Sie stehen im menschlichen Zeitmaß immer neu zur Verfügung. Kernenergie gehört zu keiner der beiden Gruppen.

Den Wirkungsgrad $\eta$ kennst du als Anteil der zugeführten Energie, den man nutzt. Die Leistung ist Energie je Zeit, $P = E / t$. Läuft ein Gerät mit 1 kW eine Stunde, liefert es 1 kWh. Bei einer Kette aus mehreren Stufen multiplizieren sich die Wirkungsgrade:

Ein Wärmekraftwerk erhitzt mit Kohle, Gas, Biomasse (oder durch Kernspaltung) Wasser zu Dampf. Der Dampf treibt eine Turbine, die einen Generator dreht. Danach muss der Dampf abgekühlt werden, und diese Abwärme lässt sich nicht vermeiden (Energieentwertung). Bei der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) nutzt man sie zum Heizen: Heizkraftwerke liefern Fernwärme, Blockheizkraftwerke versorgen einzelne Häuser. Werden zum Beispiel aus 100 kWh Gas 35 kWh Strom und 50 kWh Wärme, ist der Gesamtwirkungsgrad 85 %.

• Wasserkraft: Fallendes Wasser treibt eine Turbine mit Generator. Der Wirkungsgrad liegt bei etwa 90 %. Sie braucht Gefälle und greift in Flüsse ein.
• Windenergie: Der Rotor entnimmt der strömenden Luft Bewegungsenergie. Mehr als etwa 59 % lassen sich physikalisch nicht entnehmen.
• Photovoltaik: Solarzellen wandeln Licht direkt in elektrische Energie. Heutige Module erreichen etwa 20 %. Ein Wechselrichter macht aus der Gleichspannung Wechselspannung für das Netz.
• Solarthermie: Ein Kollektor wandelt Strahlung in Wärme für Warmwasser und Heizung, mit deutlich höherem Wirkungsgrad als Photovoltaik.
• Biomasse: Holz, Biogas und Pflanzenöl enthalten gespeicherte Sonnenenergie. Beim Verbrennen entsteht CO₂, das die Pflanze zuvor aufgenommen hat, aber der Anbau braucht Fläche.

Wind und Sonne liefern je nach Wetter. Die Leistung des Windes, der mit der Geschwindigkeit $v$ durch eine Rotorfläche $A$ strömt, ist bei der Luftdichte $\rho$:

Der Stromverbrauch schwankt im Tagesverlauf: nachts ist er am kleinsten, morgens, mittags und abends höher. Die Grundlast ist der Verbrauch, der den ganzen Tag mindestens besteht. Sie decken Kraftwerke, die dauernd laufen und sich träge regeln lassen, klassisch Braunkohle-, Kern- und Laufwasserkraftwerke. Die Spitzenlast sind die kurzen Spitzen, die schnell zuschaltbare Kraftwerke wie Gaskraftwerke und Pumpspeicher decken.

Im Verbundnetz sind Kraftwerke und Verbraucher eines großen Gebiets verbunden, in Europa über Landesgrenzen hinweg. Weht der Wind nur in einer Region, fließt der Strom dorthin, wo er fehlt. Hochspannung verringert die Verluste: Für dieselbe Leistung genügt ein kleiner Strom, und die Verlustleistung wächst mit dem Quadrat des Stroms.

Bei Überschuss pumpt ein Pumpspeicherkraftwerk Wasser in ein hohes Becken und speichert es als Lageenergie. Bei Bedarf fließt das Wasser durch Turbinen zurück. Etwa 75 bis 80 % der eingesetzten Energie kommen zurück. Weitere Speicher sind Akkus, Wärmespeicher und Wasserstoff, der mit überschüssigem Strom hergestellt wird. Pumpspeicher brauchen Berge und große Becken.

Zum fairen Vergleich zählt man alle Phasen: Bau, Betrieb und Abbau. Grobe Richtwerte für den Treibhausgasausstoß je kWh Strom:

Wirtschaftlich: Wind und Sonne brauchen keinen Brennstoff, aber teure Anlagen sowie Netz und Speicher. Kohle und Gas sind günstiger zu bauen, kosten aber laufend Brennstoff und CO₂-Preis. Gute Standorte für Wasserkraft sind begrenzt. Weitere Kriterien sind Flächenverbrauch und Versorgungssicherheit.

Ein Funktionsmodell zeigt das Wirkprinzip im Kleinen, nicht die Leistung der echten Anlage. Beim Windkraftmodell sitzt ein Rotor auf einem kleinen Gleichstrommotor, der als Generator läuft. Ein Ventilator liefert Wind, ein Spannungsmesser oder eine LED zeigt die Wirkung. Du kannst Blattzahl, Blattwinkel und Abstand ändern und die Spannung messen.

Die Brennstoffzelle wandelt die chemische Energie von Wasserstoff und Sauerstoff direkt in elektrische um, ohne Umweg über Wärme: 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O. Der Wirkungsgrad liegt bei etwa 40 bis 60 %. Im Schulmodell erzeugt ein Elektrolyseur aus Solarstrom und Wasser den Wasserstoff.

Sicherheit: Baue nur mit Batterien oder Solarzellen, nie mit Netzspannung. Wasserstoff und Sauerstoff bilden Knallgas, das nicht in die Nähe von Flammen oder Funken gelangen darf. Mach den Versuch nur mit der Lehrkraft.