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Energieübertragung und Energiespeicherung

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Jochen Kalt
Energieübertragung und Energiespeicherung
lernst du in der Unterstufe 3. Klasse - 4. Klasse - Oberstufe 5. Klasse - 6. Klasse

Beschreibung zum Video Energieübertragung und Energiespeicherung

Hast du dich schon einmal gefragt, wie man die Masse von Atomen oder Molekülen bestimmt? Auf eine Küchenwaage kann man sie schließlich schlecht legen. Deswegen gibt es besondere Geräte – sogenannte Massenspektrometer. In diesem Video lernst du den Aufbau und die Funktionsweise von Massenspektrometern kennen. Außerdem wird Schritt für Schritt gezeigt, wie die notwendigen Formeln zur Auswertung hergeleitet werden. Ergänzend zum Video findest du außerdem interaktive Übungen, an denen du dein Verständnis gleich überprüfen kannst.

Grundlagen zum Thema Energieübertragung und Energiespeicherung

Inhalt

Energieübertragung in der Physik

Wenn wir in unserer Wohnung das Licht eingeschaltet haben, benötigt die Lampe Energie. Diese Energie wird normalerweise in einem Kraftwerk erzeugt, das sich in großer Entfernung zur Wohnung befindet. Die Energie muss also übertragen worden sein. Auf welche verschiedenen Arten Energieübertragung möglich ist, wollen wir uns im Folgenden anschauen.

Energieübertragung – Definition

Mit dem Begriff Energieübertragung werden physikalische Prozesse bezeichnet, durch die Energie zwischen unterschiedlichen Systemen ausgetauscht wird. Man spricht in der Physik auch von Energietransport.

Wir können dabei zwischen drei verschiedenen Formen der Energieübertragung unterscheiden, die wiederum nach unterschiedlichen Mechanismen unterteilt werden können:

  • Übertragung von Wärme
  • Übertragung durch Arbeit
  • Übertragung durch Strahlung

Wir wollen uns zu allen drei Arten des Energietransports ein paar Beispiele anschauen.

Energieübertragung – Wärme

Die Energieübertragung durch Wärme kennen wir zum Beispiel aus unserer Wohnung. Wenn es im Winter kalt ist, wird warmes Wasser in die Heizkörper geleitet. Das warme Wasser erhitzt den Heizkörper, der wiederum Wärme an die ihn umgebende Luft abgibt und so das Zimmer erwärmt.

Ein anderes Beispiel für Energieübertragung durch Wärme ist ein Gasherd beim Wasserkochen. Das brennende Gas erhitzt den Topf, der Topf erhitzt das Wasser und das Wasser erhitzt alles, was wir zum Kochen dazugeben.

Wie genau diese Form der Energieübertragung funktioniert und welche verschiedenen Mechanismen es gibt, erfährst du in unserem Video zur Wärmeübertragung.

Energieübertragung – Arbeit

Wir kennen insbesondere zwei Formen von Arbeit in der Physik: die mechanische Arbeit, also das Produkt aus Kraft und Weg, und die elektrische Arbeit, also das Produkt aus Ladung und Spannung.

Der Energieübertragung durch elektrische Arbeit begegnen wir jeden Tag, wenn wir einen Verbraucher an die Steckdose anschließen. Die Energie, die in einem Kraftwerk erzeugt wird, wird über viele Leitungen als elektrischer Strom in unsere Wohnung transportiert. Der Energietransport kann mit Wechsel- oder mit Gleichstromerfolgen. Im Stromnetz wird allerdings immer eine Wechselspannung genutzt.

Mechanische Arbeit begegnet uns zum Beispiel beim Zelten im Sommer, wenn wir Pflöcke zur Befestigung in den Boden rammen. Mit einem Hammer verrichten wir mechanische Arbeit und übertragen Energie auf den Pflock, der wiederum Energie auf den Boden überträgt.

Energieübertragung – Strahlung

Die Energieübertragung durch Strahlung können wir in gewisser Weise jeden Tag auf der eigenen Haut spüren. Denn die Energie, die in der Sonne durch Fusionsprozesse erzeugt wird, gelangt in Form von Strahlung auf die Erde. Wir spüren diese Energie dann zum Beispiel in Form von Wärme und Licht. Übrigens gibt es auch Energietransport in der Sonne selbst, denn die Fusionsprozesse finden nicht an der Oberfläche, sondern im Kern der Sonne statt.

Energiespeicher

Energie kann nicht nur übertragen, sondern auch gespeichert werden. Eine Form des Energiespeichers kennen wir aus unserem Alltag sehr gut: den Akkumulator oder kurz Akku. Ein solcher Energiespeicher ist in jedem Smartphone oder Laptop verbaut. Hier wird beim Laden elektrische Energie in Form von chemischer Energie gespeichert. Diese kann anschließend wieder abgegeben werden.

Eine weitere Form von Energiespeichern sind Pumpspeicher. In diesen Speichern wird Wasser in einen Wassertank in der Höhe $h$ über dem Erdboden gepumpt und gewinnt so an potenzieller Energie. Öffnet man den Tank, um das Wasser wieder auf den Erdboden fallen zu lassen, wandelt sich die potenzielle in kinetische Energie um.

Auch Wärme kann gespeichert werden. In manchen Kraftwerken fällt Energie an, die nicht direkt gebraucht wird. Mithilfe dieser Energie kann Wasser erwärmt werden, das sich in einem isolierten Tank befindet. Benötigt man Wärme, kann man das Wasser aus dem Tank nutzen.

Transkript Energieübertragung und Energiespeicherung

Hallo und herzlich willkommen. Wir wollen uns in diesem Video anschauen, wie Energie übertragen werden kann und welche Möglichkeiten es gibt, Energie zu speichern. Um zu verstehen, wie Energie übertragen wir, wiederholen wir die Begriffe der Energieumwandlung und der Energieentwertung. Dann schauen wir uns an, wie Energie von einem Körper auf den anderen übertragen wird. Und schlussendlich wirst Du noch lernen, wie man Energie speichern kann und wo uns das alles im Alltag begegnet. Zuerst werden wir einmal näher betrachten, was man unter den Begriffen Energieumwandlung und Energieentwertung versteht. Energie kann auf verschiedene Arten vorliegen. Am anschaulichsten ist die potentielle Energie. Wenn Du einen Stein vom Boden auf den Tisch hebst, musst Du Arbeit verrichten. Der Stein hat dann potentielle Energie. In einer gespannten Feder ist auch potentielle Energie gespeichert. Im Alltag benutzen wir oft elektrische Energie. Sie kann zum Beispiel in Batterien gespeichert werden. Sobald sich ein Körper mit einer gewissen Masse bewegt, hat er kinetische Energie. Sie kann in Schwungrädern gespeichert werden. Es gibt auch Stoffe, die chemische Energie beinhalten. Öl zum Beispiel oder auch Holz. Eine weitere Form der Energie ist die thermische Energie. Jeder Körper mit einer gewissen Temperatur hat auch thermische Energie. Und es gibt auch Strahlungsenergie. Die Sonne zum Beispiel strahlt den ganzen Tag Energie ab, so dass es auf der Erde warm wird. Je nachdem, welche Energieform wir benötigen, benutzen wir Energiewandler, um sie von der einen Form in eine andere umzuwandeln. Dabei wird aber nie alle Energie in nur eine Form umgewandelt. Nehmen wir zum Beispiel die chemische Energie des Benzins. Um damit ein Auto zu bewegen, so wird der Motor warm und nicht alle chemische Energie wird in kinetische Energie umgewandelt. Ein Teil der chemischen Energie geht in thermische Energie über und kann so nicht mehr genutzt werden, um den Motor anzutreiben. Die Energie geht aber nicht verloren. Sie wird lediglich in eine Form umgewandelt, die nicht mehr nutzbar ist. Man sagt auch, die Energie wird entwertet. Energieentwertung tritt bei allen Energieumwandlungsprozessen auf. Energie kann aber nicht nur umgewandelt werden. Sie kann auch von einem Körper auf den anderen übertragen werden. Das kann auf drei Arten geschehen. Zum einen kann man Energie mechanisch übertragen. Wenn Du zum Beispiel mit einem Hammer einen Pflock schlägst, so dringt dieser in den Boden ein. Zusätzlich dazu wird an dem Ende, auf das man geschlagen hat, warm. So wird also Energie von dem Hammer auf den Pflock übertragen. Weiterhin kann Energie durch Wärme übertragen werden. Schaltet man zum Beispiel die Heizung an, so fließt warmes Wasser durch die Rohre. Das Wasser gibt über den Heizkörper seine Energie an die Umgebung ab. Die Luft im Raum erwärmt sich. Es findet also eine Energieübertrag von der Heizung an die Luft statt. Außerdem kann Energie durch Strahlung übertragen werden. Die Sonne zum Beispiel strahlt Energie ab. Diese Strahlungsenergie gelangt durch das Weltall zur Erde und wärmt diese. Um Energie jederzeit nutzen zu können, muss man sie irgendwo speichern, um sie beliebig abrufen zu können. Eine Art Energie in großem Umfang zu speichern, sind Pumpspeicherkraftwerke. Sie bestehen aus zwei Wasserreservoiren, die auf unterschiedlichen Höhen liegen. Das Wasser im höheren Becken hat dabei mehr potentielle Energie als das im niedriger gelegenen Becken. Um Energie umzuwandeln, fließt das Wasser vom oberen Becken in das untere. Dabei treibt es eine Turbine an, die elektrische Energie erzeugt. Andersherum funktioniert das auch. Man treibt die Turbine mit elektrischer Energie an, diese pumpt das Wasser in das obere Becken. So wird elektrische Energie in potentielle Energie umgewandelt. Pumpspeicherkraftwerke sind dafür da, um Spitzen im Verbrauch elektrischer Energie aufzufangen. Manchmal, zum Beispiel nachts, erzeugen Kraftwerke mehr Energie als eigentlich benötigt wird. Diese Energie wird dann genutzt, um Wasser in Pumpspeicherkraftwerken nach oben zu pumpen. Genauso kommt es vor, dass mehr Energie verbraucht wird als die Kraftwerke produzieren. Dann wird das Wasser von Pumpspeicherkraftwerken abgelassen, um zusätzlichen Strom zu erzeugen. Ein ähnliches Konzept haben Fernwärmespeicher. Das sind riesige Wassertanks, die gut gegen die Umgebung isoliert sind, um Wärmeenergie effektiv speichern zu können. Sie speichern überschüssige Energie, indem sie mit dieser Wasser erhitzen. Wenn es zu bestimmten Tageszeiten, vor allem morgens, wenn sich alle waschen, zu Engpässen in der Warmwasserversorgung kommt, so wird diese Energie in Form von warmem Wasser wieder in das Netz eingespeist. Ein Energiespeicher, den Du sicherlich kennst, ist der Akkumulator. In einem Akku wird chemische Energie gespeichert, die jederzeit in elektrische umgewandelt werden kann. Er besteht grundsätzlich aus zwei Stromanschlüssen, einem positiven und einem negativen. Dazwischen befindet sich eine Flüssigkeit, die Ladungsträger in sich trägt. Diese Flüssigkeit nennt man Elektrolyt. Ein Akku kann mehrmals aufgeladen und entladen werden. Eine weitere Möglichkeit, Energie zu speichern, sind Schwungradspeicher. Rotiert ein fester Körper mit einer gewissen Drehzahl, so steckt in dieser Rotation Energie. In einem Schwungradspeicher ist eine schwere Platte verbaut, die mit hoher Drehzahl rotiert und somit kinetische Energie speichern kann. Allerdings geht diese Energie relativ schnell durch Reibungsverluste verloren, so dass Schwungradspeicher nur für spezielle Anwendungen zum Einsatz kommen. An den eben genannten Beispielen kannst Du schon sehen, dass es gar nicht so einfach ist, Energie zu speichern. Obwohl viel Arbeit und Geld investiert wird, um Speichersysteme zu verbessern, bestehen noch immer viele Probleme, die es zu lösen gilt. Um uns noch einmal klar zu machen, wie Energieübertragung und Energiespeicherung funktionieren, wollen wir einmal nachvollziehen, was alles passiert, wenn Du zu Hause mit dem Mixer einen Milchshake machst. Du gibst die Milch in den Mixbecher und schaltest den Mixer an. Dabei übertragen die Schaufelräder am Boden des Mixers Energie auf die Milch, so dass diese sich bewegt und durchgemischt wird. Energie kann mechanisch, durch Wärme oder durch Strahlung übertragen werden. In diesem Fall ist der Übertrag mechanisch. Die Schaufelräder wiederum werden durch einen Elektromotor angetrieben, der elektrische Energie in kinetische umwandelt. Dabei geht ein Teil der elektrischen Energie in Wärme ab. Man sagt, sie wird entwertet. Der Strom für den Mixer kommt aus einem Kraftwerk. In Kraftwerken wird potentielle, chemische, kinetische, thermische und Strahlungsenergie in elektrische Energie umgewandelt. Wenn Du Deinen Milchshake zu einer Zeit machst, in der auch viele andere Personen Strom verbrauchen, kann es sein, dass der Strom für Deinen Milchshake aus einem Pumpspeicherkraftwerk kommt, das in dem Moment zugeschaltet wird, in dem mehr Energie verbraucht wird als erzeugt. Weitere Möglichkeiten, Energie zu speichern, sind zum Beispiel Fernwärmespeicher, Akkumulatoren oder Schwungräder. Das wars dann auch zum Thema Energieübertragung und Energiespeicherung. Ich hoffe, Du hast etwas gelernt. Tschüss und bis zum nächsten Mal.

14 Kommentare

14 Kommentare
  1. Tolles Video!!

    Von Herr S., vor 6 Monaten
  2. Gutes Video! Etwas schnell gesprochen, aber es ging.

    Von Aossenberg, vor mehr als einem Jahr
  3. gutes Video, gut erklärt :-)

    Von Thomaskersten, vor fast 2 Jahren
  4. Hat mir überhaupt nicht geholfen 👎🏻👎🏻

    Von Lucia K., vor etwa 3 Jahren
  5. Hab mir das Video nicht wirklich angeschaut, da ich nur nochmal alles wieder holen wollte. Hab nur die Übungen gewacht.

    Von ben w., vor mehr als 3 Jahren
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Energieübertragung und Energiespeicherung Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Energieübertragung und Energiespeicherung kannst du es wiederholen und üben.
  • Gib ein passendes Beispiel für jede der Energieformen an.

    Tipps

    Überlege, wo dir die genannten Energieformen im Alltag begegnen.

    Aus dem Namen lässt sich auf die Art der Energie schließen.

    Die potentielle und kinetische Energie gehören in die Mechanik, die Strahlungsenergie und thermische Energie in die Wärmelehre. Die elektrische Energie gehört in die Elektrodynamik.

    Lösung

    Alle Gegenstände, die sich auf einer gewissen Höhe befinden, besitzen potentielle Energie. Durch Verringern der Höhe wird Energie frei. Um die Höhe zu vergrößern wird mehr Energie benötigt. So auch der Stein auf dem Tisch.

    Elektrische Energie begegnet dir heutzutage fast überall im Alltag. Man kann sie zum Beispiel in einer Batterie speichern. Packst du die Batterie in ein Gerät wie zum Beispiel eine Digitalkamera, wird Energie aus der Batterie freigesetzt und dazu verwendet, die Kamera zu betreiben. Am Netzstrom können wir einen Akkumulator wieder aufladen, also seine elektrische Energie wieder erhöhen.

    Kinetische Energie ist überall dort vorhanden, wo sich etwas bewegt. Speichern kann man sie zum Beispiel in einem Schwungrad: Kinetische Energie wird benötigt, um das Schwungrad anzutreiben und kann wieder freigesetzt werden, um sie auf andere Gegenstände zu übertragen und diese anzutreiben oder sie in eine andere Energieform umzuwandeln.

    Thermische Energie ist quasi überall vorhanden: Jeder Gegenstand mit einer Temperatur besitzt thermische Energie.

    Strahlungsenergie begegnet dir eigentlich auch überall: Du kannst sie zum Beispiel auf deiner Haut spüren, wenn die Sonne auf deine Haut scheint und sie durch Strahlungsenergie erwärmt.

  • Beschrifte die Skizze eines Energieumwandlungsprozesses bei einem Verbrennungsmotor.

    Tipps

    Überlege dir am Beispiel eines Automotors, was in den Motor reingesteckt wird und was herauskommt und finde dann die passenden Energieformen dazu.

    Lösung

    Einen Verbrennungsmotor findest du beispielsweise in einem Auto. Hier wird Benzin oder Diesel getankt, worin chemische Energie gespeichert ist. Diese wird dann in kinetische Energie des Antriebsstrangs (der diese dann auf die Räder überträgt und somit das Auto antreibt) und thermische Energie des Motors (der Motor wird bei der Verbrennung des Kraftstoffs warm) umgewandelt.

    Hierbei geht keine Energie verloren (Energie geht niemals verloren!). Die thermische Energie ist für die Fortbewegung des Autos aber nicht mehr nutzbar, deshalb spricht man von Energieentwertung.

    Energieentwertung passiert bei jeder Energieumwandlung. Manchmal kann man aber einen Teil dieser Energie für andere Zwecke nutzen, zum Beispiel kann man mit der thermischen Energie des Automotors den Innenraum heizen.

  • Erkläre die verschiedenen Arten von Energieübertragung anhand von Beispielen.

    Tipps

    Stelle dir vor, wie die Energie bei den verschiedenen Beispielen transportiert wird.

    Bei jeder Energieumwandlung wird auch thermische Energie frei.

    Lösung

    Mechanisch geschieht die Übertragung bei dem Hammer auf einen Pflock und bei den Zahnrädern. Man kann sagen, die Energie wird durch Bewegung übertragen, die beiden Gegenstände müssen dabei in Kontakt sein.

    Energieübertragung durch Wärme funktioniert auch nur dann, wenn die beiden Gegenstände in Kontakt sind. So gibt eine Heizung Energie an Raumluft ab und heißes Wasser an eine Tasse (thermische Energie).

    Energieübertragung durch Strahlung dagegen funktioniert auch, wenn die beiden Gegenstände nicht in Kontakt sind. Zwischen Erde und Sonne zum Beispiel, wo ja zum größten Teil nur leerer Raum ist. Jeder heiße Gegenstand überträgt Energie auf seine Umgebung durch Strahlung, je heißer desto mehr. Das kann man gut bei glühenden Kohlen nachvollziehen: Man spürt die Wärme auf der Haut, die durch Strahlung von den Kohlen übertragen wird.

  • Erkläre die Funktionsweise eines Pumpspeicherkraftwerks.

    Tipps

    Es sind drei Energieformen, die an dem Prozess beteiligt sind: elektrische, kinetische und potentielle Energie. Überlege dir, welche davon wann vorliegen.

    Mechanische potentielle Energie nennt man auch, Lageenergie und Höhenenergie.

    Thermische Energie nennt man auch Wärmeenergie.

    Lösung

    In der heutigen Zeit wird es immer wichtiger, nutzbare Energie zu speichern. Besonders notwendig ist das bei der Speicherung von elektrischer Energie, die von Solaranlagen und Windrädern bereitgestellt wird. Diese produzieren die Energie nur, wenn die Sonne scheint bzw. der Wind weht. Jedoch wird zu jeder Tageszeit elektrische Energie benötigt. Daher wird diese umgewandelt und mechanisch in Staudämmen und Pumpspeicherkraftwerken als potentielle Energie gespeichert.

  • Bestimme die Energieformen, die in den folgenden Energiespeichern gespeichert werden.

    Tipps

    Überlege dir, durch welche Vorgänge jeweils Energie in und aus dem Speicher übertragen wird.

    Stelle dir vor, wie die Energie in dem Speicher gespeichert wird.

    Lösung

    In der heutigen Zeit wird es immer wichtiger, nutzbare Energie zu speichern. Besonders notwendig ist das bei der Speicherung von elektrischer Energie, die von Solaranlagen und Windrädern bereitgestellt wird. Diese produzieren Energie nur, wenn die Sonne scheint bzw. der Wind weht. Jedoch wird zu jeder Tageszeit elektrische Energie benötigt.

    • Daher wird diese umgewandelt und zum Beispiel mechanisch in Staudämmen und Pumpspeicherkraftwerken als potentielle Energie gespeichert.
    • Oder auch direkt als chemische Energie in Akkumulatoren oder Batterien. Hierbei ist der Akkumulator direkt Energiewandler und Speicher, sodass man den Eindruck hat, dass direkt die elektrische Energie gespeichert wird.
    • Die Speicherung in Form von thermischer Energie in Fernwärmespeichern ist nicht so effektiv, da diese schnell entweicht. Auch die Speicherung als kinetische Energie in Schwungradspeichern beschränkt sich auf Spezialanwendungen.
    Bei all diesen Speichermöglichkeiten gibt es Energieentwertungen durch die Entwicklung von nicht speicherbarer Wärme.

  • Bestimme die Energiebilanz der Energiespeicherung und -Übertragung.

    Tipps

    Achte darauf, was die entwertete Energie ist.

    Was bereits entwertet wurde, kann nicht noch einmal entwertet werden.

    Lösung

    Es gibt nicht nur das Problem der Energiespeicherung, auch der Transport von Energie führt zu unerwünschten Energieentwertungen.

    In unserem Fall:

    $E[kJ]=0,8\cdot 0,9\cdot 0,9 \cdot 0,8 \cdot 0,96 \cdot 20000000000 \text{J}=9953280000 \text{J} = 9953280 \text{kJ}$

    $E[\%]=100 \% \cdot 0,8\cdot 0,9\cdot 0,9 \cdot 0,8 \cdot 0,96 = 49,7664 \% \approx 50 \%$

    Es wird die Hälfte der Energie auf dem Weg zum Verbraucher entwertet.

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