Facts zum Thema Energiespeicher

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1 Facts zum Thema Energiespeicher Informationen zur Förderung des Technikinteresses in der Schulpraxis Einführung Ohne Energie gibt es nichts weder Sonne, noch Wind, noch Flüsse. Irgendeine Form von Energie steckt in allem Lebendigen und hinter allen natürlichen Vorgängen. Energie kann weder geschaffen noch vernichtet werden. Im Laufe der Jahrhunderte hat der Mensch immer wieder versucht, Energie auf vielfältige Weise zu nutzen und vor allem zu speichern, um sich so das Leben zu erleichtern. Quellen Renews Spezial Nr. 57 Strom speichern Übelacker Prof. Dr. Erich (2003): Energie. Aus: Was ist Was Band Abbildung 1: Abbildung 2: Abbildung 3: Geschichte In Holland wird um das Jahr 1746 das erste Mal ein Kondensator entwickelt, mit dessen Hilfe Strom gespeichert werden kann. Die Konstruktion mit Namen "Leidener Flasche" ist aussen mit Zinn beschichtet und innen mit Gold ausgekleidet. Abbildung 1: Leidener Flasche 1800 erfindet Alessandro Volta die erste Batterie, die sogenannte Volta sche Säule. Er benutzt dabei Münzen verschiedener Länder aus Kupfer, Messing, Silber und Zink, die er aufeinander schichtet. Die Schichten sind durch kleine Tücher oder Karton getrennt. Die Tücher und der Karton sind in einer Salzlösung getränkt, die eine elektrochemische Reaktion auslösen. Sie erbrachte um 1800 immerhin 25 Volt wie die Einheit in Erinnerung an ihren Erfinder weiterhin genannt wird. Der französische Physiker Gaston Planté erfand 1859 die wiederaufladbare Bleibatterie, und Henri Tudor aus Luxemburg gibt ihr 1881 die Abbildung 2: Volta'sche Säule Seite 1 von 7

2 noch heute übliche Kastenform. Als Elektrolyt dient verdünnte Schwefelsäure. Die negative Elektrode besteht aus Blei, die positive aus Bleidioxid. Die Einführung dieser Alkali-Batterie erfolgt bereits im Jahre 1860, also nur ein Jahr nach ihrer Erfindung. Um 1899 kommt Thomas Alva auf die Nickel-Cadmium-Zelle. Sie ist allerdings noch sehr schwach findet er mit der Nickel-Eisen- Zelle eine äußerst robuste Batterie mit einer hohen elektrischen Kapazität pro Gewichtseinheit. Die verschiedenen Energiespeicher Energieträger wie Kohle, Erdöl, Gas und Uran liegen alle in speicherfähiger Form vor. Sie lassen sie leicht auch über große Strecken transportieren (Pipelines usw.) so dass die Entfernungen zwischen der Lagerstätte und dem entsprechenden Kraftwerk durchaus beträchtlich sein können. Eine der bekanntesten Energiespeicher ist wohl der Akku bzw. die Batterie. Es gibt jedoch unterschiedliche Arten Energie zu speichern. Anforderungen an Stromspeicher Die Anforderungen an Stromspeicher sind je nach Einsatzbereich sehr unterschiedlich: Stromspeicher müssen Schwankungen im Stromangebot abfedern können. Zur Sicherung einer unterbrechungsfreien Stromversorgung brauchen sie vor allem eine sehr kurze Reaktionszeit. Auch die Speicherkapazität spielt für die Reaktion eine Rolle. So unterschiedlich die Anforderungen an Stromspeicher aussehen, so unterschiedlich sind auch die derzeit verfügbaren Technologien. Die Speichertechnologie, die in allen Anwendungsbereichen am vorteilhaftesten ist, gibt es nicht. Vielmehr spielen die unterschiedlichen Speicher ihre Vorteile je nach Anwendungsbereich aus. Als Stromspeicher werden ganz allgemein diejenigen Energiespeicher bezeichnet, die durch Stromfluss elektrische Energie geladen werden. Hierbei unterscheidet man grundlegend vier Systeme (siehe Grafik). Jede dieser Energiespeicherarten weist unterschiedliche Eigenschaften auf. Alle haben sie ihre eigenen Vor- und Nachteile. Die Auswahl des geeigneten Energiespeichers kommt also ausschließlich auf die Art der Anwendung an. elektrische Energiespeicher Mit sogenannten Kondensatoren (Bauteil aus zwei Elektroden zwischen denen sich ein geeignetes Isolationsmaterial befindet) kann elektrische Energie gespeichert werden. Gegen- Seite 2 von 7

3 über Akkumulatoren haben Kondensatoren den Vorteil, dass sie nahezu beliebig oft geladen und entladen werden können. Ihr Nachteil war jedoch bis vor kurzer Zeit, dass sie nur relativ wenig elektrische Ladung aufnehmen konnten. Inzwischen gelang jedoch die Entwicklung sogenannter Superkondensatoren, die viel mehr speichern können. Allerdings ist der Preis dieser Kondensatoren noch hoch. Die Anwendung dieser Kondensatoren reicht von der kurzzeitigen Aufrechterhaltung der Funktion elektrischer Geräte bei Stromausfall, bis hin zum Betrieb kleinerer Elektrofahrzeuge. Für die Speicherung einer Energiemenge, die für eine größere Personengruppe ausreichen würde taugen die Kondensatoren jedoch noch nicht. mechanische Energiespeicher Die mechanische Energie ist eine der ältesten Arten überhaupt, um Energie zu speichern. Von Prinzip her ist es ganz einfach. Man stelle sich einen Töpfermeister vor, der seine Töpferscheibe (durch Bewegung seines Fußes, welcher über einen Riemen die Scheibe antreibt) in Bewegung bringt. Die Töpferscheibe beginnt sich zu drehen. Die Energie, also die Arbeit die der Fuss verrichtet, wird in der Scheibe gespeichert. Hört der Töpfer mit seiner Fussbewegung auf, dreht sich die Scheibe noch weiter, bis sie die gespeicherte Energie verliert (Reibungsverluste). Diese Art der Energiespeicherung ähnelt dem Prinzip des Schwungradspeichers. Neben dem Schwungradspeicher gibt es aber noch weiter Arten Energie mechanisch zu speichern. Schwungradspeicher Funktioniert ähnlich dem Prinzip unseres Töpferbeispiels. Die Bremsenergie eines Autos kann zum Beispiel in Schwungradspeichern gespeichert werden und beim Anfahren wieder benutzt werden Druckluftspeicher Hier unterscheidet man zwischen unterirdischen Luftdruckspeicher und Druckluftspeicher die in der Industrie eingesetzt werden, sogenannte Windkessel. Pumpspeicher Kraftwerke Ein Wasserspeicher wird gefüllt (d.h., Wasser wird hinein gepumpt, bspw. von einem anderen Stau see). Bei Bedarf wird das Wasser des Stausees durch Turbinen abgebaut und die gespeicherte Energie in Strom umgewandelt. Seite 3 von 7

4 chemische Energiespeicher Thermische Energie kann mittels chemischer Reaktionen gespeichert werden. Wesentlich geläufiger ist jedoch die Speicherung elektrischer Energie über chemische Reaktionen, wie sie z.b. beim Auto-Akku stattfindet. Während eine Batterie ihre chemische Energie nur einmal in elektrische Energie wandeln kann und dann entsorgt werden muss, sind Akkumulatoren wieder aufladbar. Zurzeit noch am weitesten verbreitet sind die Bleiakkumulatoren. Blei-Säure-Akkumulatoren Blei-Säure-Akkumulatoren bzw. Batterien wandeln Strom elektrochemisch um, bevor sie ihn speichern. Grundsätzlich lässt sich im Bereich der elektro-chemischen Speichersysteme zwischen Systemen mit internem und Systemen mit externem Speicher unterscheiden. Bei Systemen mit internem Speicher wird die Energie dort gespeichert, wo auch die elektrochemische Reaktion stattfindet. Bei Systemen mit externem Speicher dagegen, sind die elektrochemische Reaktionseinheit und der elektrochemische Energiespeicher räumlich getrennt. Blei-Säure-Akkus gehören zu den Speichersystemen mit internem Speicher. Kernstück der Akkumulatoren sind zwei Elektroden, die aus unterschiedlichen Metallen oder Metalloxiden bestehen, welche in einer Elektrolytlösung, z.b. verdünnter Schwefelsäure, liegen Ein Nachteil der Bleiakkus ist ihr hohes Gewicht und damit verbunden ihre relativ niedrige Energiedichte bezüglich der Masse. Für spezielle Anwendungen (z.b. Akku für Laptop oder MP3-Player) hat man daher Akkus mit anderen Elektroden und Elektrolyten entwickelt, die sich durch eine höhere Energiedichte bezüglich der Masse bzw. bezüglich des Volumens auszeichnen. Wasserstoffspeicher Eine weitere Möglichkeit zur elektrochemischen Speicherung von Strom ist die Speicherung von Wasserstoff. Wasserstoff wird mittels Elektrolyse gewonnen, indem zwei Elektroden (meist aus Platin und Paladium), an die eine Spannung angelegt ist, in Wasser getaucht werden. Als Nebenprodukt entsteht zusätzlich Sauerstoff. Der gewonnene Wasserstoff selbst kann in Druckgasspeichern, Flüssiggasspeichern und Metallhydridspeichern gelagert werden, bevor er in Brennstoffzellen zurückverstromt wird. Die Aufbewahrung von Wasserstoff stellt jedoch eine besonders große sicherheitstechnische Herausforderung dar, weil Wasserstoff in Kontakt mit Luft ein hochexplosives Knallgas bildet, das bei einem Wasserstoffanteil von 5 bis 85 Prozent entzündbar ist. In Druckgasspeichern wird Wasserstoff heute bei bis zu 700 bar komprimiert. Der Transport des Wasserstoffs wird damit erschwert, da massive Speicherbehälter bei großem Gewicht nur relativ geringe Mengen des Gases transportieren können. Nachteilig ist zudem der hohe Seite 4 von 7

5 Energieaufwand für die starke Komprimierung. Bei 700 bar entspricht dies in etwa 15 Prozent des Energiegehaltes des Wasserstoffs, so dass der Gesamtwirkungsgrad sinkt. Eine weitere Möglichkeit zur Speicherung von Wasserstoff ist dessen Aufbewahrung in flüssiger Form. Im Vergleich zur gasförmigen Speicherung werden hier weitaus größere Speicherdichten erreicht. Jedoch muss in diesem Fall der flüssige Wasserstoff auf eine Temperatur von -253 C gekühlt werden. Die Tanks benötigen eine entsprechend gute Dämmung. Eine dritte Variante der Lagerung von Wasserstoff bieten Metallhydridspeicher. In hochporösem Material zumeist Titan-Eisen oder Nickelverbindungen wird der Wasserstoff chemisch eingelagert und bei Erwärmung des kalten Materials wieder abgegeben. Zwar lassen sich auf diese Weise im selben Volumen mehr Wasserstoffmoleküle speichern als in flüssiger Form. Jedoch sind die Speicher so schwer und teuer, dass sie bisher lediglich in U-Booten eingesetzt wurden. Neben der Speicherung kann Wasserstoff auch in Pipelines transportiert werden. Da es sich bei Wasserstoff um ein sehr flüchtiges Gas handelt, stellt hierbei die Dichtung eine besondere Herausforderung dar. thermische Energiespeicher Wärmespeicher sind im Haushaltsbereich schon seit längerer Zeit bekannt, so kann man z.b. mit dem billigeren Nachtstrom einen Wärmespeicher aufheizen und damit untertags die Wohnung erwärmen. Als Speichermedium dient Schamott (feuerfestes Gestein mit hohem Aluminiumoxid-Anteil) oder Wasser. Inzwischen sind aber die Preise für Nachtstrom auch gestiegen, sodass diese Heizungsart sowohl aus wirtschaftlicher, aber besonders auch aus ökologischer Sicht fraglich geworden ist. Neben Wärmespeichern für ein einzelnes Zimmer oder ein Einfamilienhaus gibt es inzwischen auch schon größere Wärmespeicher, welche die Energie auch über längere Zeit speichern können. Bei der Nutzung solarer Energie werden auch in unseren Breiten Solarkollektoren eingesetzt, bei denen die Strahlungsenergie der Sonne in warmes Wassers umgewandelt wird. Auch hier werden Warmwasserspeicher verwendet. Mit der Nutzung erneuerbare Energien treten zwei Probleme auf: Die Menge an elektrischer Energie, welche z.b. bei einem Windgenerator oder einer Solarvoltaikanlage gewonnen wird, unterliegt starken zeitlichen Schwankungen (denke an Windstille oder Dunkelheit bzw. schlechtes Wetter). Auch der Transport elektrischer Energie über sehr große Entfernungen ist problematisch, da in den Fernleitungen Verluste entstehen. Es wäre günstig, wenn die Anlagen, in denen elektrische Energie gewonnen wird, möglichst nahe bei den Verbrauchern liegen würden. Seite 5 von 7

6 Blick in die Zukunft Getrieben durch den erwünschten Ausbau des Anteils erneuerbarer Energien an der Stromerzeugung wird die Bedeutung der Energiespeicherung in den kommenden Jahren stetig zunehmen. Aufgrund der erheblichen technischen und wirtschaftlichen Risiken kann der schnelle Ausbau des Energiespeicherangebotes jedoch nicht ohne flankierende Maßnahmen erfolgen. Entsprechend müssen die Anstrengungen zur Entwicklung aussichtsreicher Speichertechnologien verstärkt und erprobt werden. Ein Energiespeicher, der immer mehr an Bedeutung gewinnt, ist der Wasserstoffspeicher. Wasserstoff wird als den Energiespeicher des 21. Jahrhunderts betitelt. Er hat als Energieträger deshalb grosse Vorteile, weil er flüssig oder unter Druck gehalten ganz wenig Platz braucht. Ausserdem ist Wasserstoff ungiftig und lange nicht so explosiv wie Kohlenwasserstoffe (CH4, etc.). Die Verbrennung emittiert lediglich Wasser und er ist mit Hilfe von Brennstoffzellen direkt verstrombar. Wasserstoff ist überall herstellbar, wo Elektrizität bzw. regenerative Energiequellen zur Verfügung stehen und er lässt sich auf vielfältige Weise speichern (siehe Wasserstoffspeicher ). Ein weiterer sehr entscheidender Vorteil von Wasserstoff ist, dass er in unbegrenztem Mass weltweit zur Verfügung steht. Diese Energien kontrolliert in einem Kraftwerk zu erzeugen, also einen Fusionsreaktor zu bauen, ist jedoch sehr schwierig. Man muss den Brennstoff, die schweren Wasserstoffisotope auf 100 Millionen Grad Celsius bringen. Von der technischen Anwendung der Kernfusion sind wir noch weit entfernt. Gelingt sie ohne Gefahr für Mensch und Umwelt, so wäre die Energieversorgung aller künftigen Generationen gesichert. Unterrichtsideen Geschichte: Das U-Boot U2 ist 1908 dann das erste deutsche U-Boot, das mit einer Batterieanlage der Accumulatoren Fabrik Aktiengesellschaft (AFA) ausgerüstet wird. Energie und Mobilität: Energiequellen heute und ihre Verbraucher Der Weltenergiebedarf Energiespeicher: Die Schüler und Schülerinnen überlegen sich, wo in ihrem Umfeld sie Energiespeicher begegnen und was die Folgen wären, wenn sie auf diese verzichten müssten. Sie informieren sich über einen Energiespeicher. Anschliessend werden die Gemeinsamkeiten, Unterschiede, Vorteile und Nachteile besprochen. Experimente chemische Energiespeicher: Mit Schülerinnen und Schüler eine Batterie einfach selbst herstellen. Dazu ein Kupferblech und ein Zinkstreifen in eine Zitrone stecken, ohne dass sich diese berühren. Seite 6 von 7

7 Ein anderes Experiment zur Herstellung einer Batterie kann mit zwei Zinkblättchen, zwei Kupferplättchen, isolierten Drähte, zwei Marmeladengläser, Essig und einer Leuchtdiode (LED) durchgeführt werden. Wenn alles korrekt verdrahtet wurde, leuchtet die Leuchtdiode. Mann kann mehrere Batterien dieses Typen in Reihe schalten, um mehr Elektrizität zu erzeugen. Versuchsaufbau: Lehrplan Im Lehrplan 1995 kann das Thema Energiespeicher mit folgenden Grobzielen in Verbindung gebracht werden: Natur-Mensch-Mitwelt 5./6. Klasse: - Eigenschaften der Energie untersuchen. (Speichern, Umwandeln; Energieformen) - Die Bereitstellung, die Bedeutung und die Vor- und Nachteile verschiedener Energieformen vergleichen. - Den eigenen Energieverbrauch abschätzen. Mit Energie sparsam umgehen. - Nachvollziehen, wie sich die Menschen Energieformen durch das Erfinden von Maschinen nutzbar machten und machen. Seite 7 von 7