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Energiespeicher

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Energiespeicher

Was ist Energie?

Energie wird benötigt, um jede Art von Arbeit zu verrichten. Das anschaulichste Beispiel sind wir Menschen: Es ist nötig, dass wir Energie aufnehmen, um eine Arbeit verrichten zu können. Dies tun wir, indem wir Nahrung aufnehmen, in der Energie gespeichert ist. Ein anderes Beispiel ist das Auto: es benötigt Benzin als Energiequelle, um sich bewegen zu können. Die Energie geht dabei aber nie verloren, denn wenn das Benzin, das verbraucht wird, wird in Bewegeungsenergie und Wärmeenergie umgewandelt. Diese Erhaltung der Energie in anderen Formen wird durch den Energieerhaltungssatz beschrieben.
Energie kann weder erzeugt werden, noch verloren gehen. Es ist nur möglich Energie von einer Form in eine andere umzuwandeln.
Die Energie lässt sich in verschiedene Gruppen einteilen:
Abb. 1: Einteilung der Energie
Abb. 1: Einteilung der Energie

Energiespeicher

Um die Energie jederzeit abrufen zu können, ist ein Energiespeicher nötig. Dort ist sie gespeichert bis zu dem Zeitpunkt, an dem man darauf zugreifen möchte. Je nachdem, um welche Art von Energie es sich handelt, sind auch verschiedene Energiespeicher notwendig.
Chemische Energie
Die chemische Energie ist in chemischen Elementen gespeicherte Energie. Reagiern Elemente oder Moleküle mit anderen kann diese Energie freigesetzt werden. Eine der häufigsten Anwendungen ist die Verbrennung von Kohle. Hierbei reagiert Kohlenstoff mit Sauerstoff, wobei Wärme frei gesetzt wird. Aber auch in einem Apfel ist Energie gespeichert, die wir beim Essen aufnehmen können.
Hast du dir schon mal überlegt wie ein Akku oder eine Batterie funktioniert? Auch dort handelt es sich um gepeicherte chemische Energie, die in elektrische Energie umgewandelt wird, wenn ein elektrisches Gerät angeschlossen wird. Dies erfolgt durch chemische Reaktionen. Beim Akku kann man diese Reaktionen beim Laden rückgängig machen und ihn somit mehrfach verwenden, bei der Batterie läuft diese Reaktion einmalig ab.
Chemische Energie ist die Hauptenergiequelle auf der Welt. Dazu werden große Mengen an Kohle, Öl und Gas verbrannt, um daraus nutzbare Energie zu gewinnen.
Mechanische Energie
Mechanische Energie lässt sich unterteilen in potentielle Energie (Höhenenergie) und kinetische Energie (Bewegungsenergie). Wenn sich ein Körper auf einer bestimmten Höhe befindet, hat er Höhenenergie gespeichert. Diese lässt sich mit der Formel:
$E_{\text{pot}} = m \cdot g \cdot h$
$E_{\text{pot}} = m \cdot g \cdot h$
berechnen.
Bei doppelter Höhe, hat ein Körper also auch die doppelte potentielle Energie. Diese Form von Energiespeicherung, wird in Pumpspeicherwasserkraftwerken verwendet. Wenn gerade zu viel elektrische Energie bereit steht, wird damit Wasser in einen hoch gelegenen Stausse gepumpt. Das Wasser kann dann, wenn Energie benötigt wird, wieder runterfließen. Die Höhenenergie wird dann in Bewegungsenergie des Wassers umgewandelt und kann so eine Turbine antreiben, damit wieder elektrische Energie entsteht.
Abb. 2: Das Wasserkraftwerk
Abb. 2: Das Wasserkraftwerk
Die Bewegungsenergie kannst du mit der Formel
$E_{\text{kin}}=\frac{1}{2} \cdot m \cdot v^2$
$E_{\text{kin}}=\frac{1}{2} \cdot m \cdot v^2$
berechnen.
Energie kann auch in gespannten Federn gespeichert werden. Das spürst du, wenn du eine Feder zusammendrückst, und dann wieder loslässt. Die Formel der Energie, die in einer Feder gespeichert ist, lautet:
$E_{\text{spann}}=\frac{1}{2} \cdot D \cdot s^2$
$E_{\text{spann}}=\frac{1}{2} \cdot D \cdot s^2$
Thermische Energie
Bei fast jedem Vorgang wandelt sich Energie in thermische Energie (Wärmeenergie) um. Dies ist erwünscht, um Wasser zu erhitzen oder die Wohnung zu wärmen. Allerdings ist dies auch oft eine ungewollte Nebenerscheinung. Du hast sicher schon mal bemerkt, dass eine Glühbirne unglaublich heiß wird, wenn man sie anschaltet. Die Hitze, die entsteht, ist nicht gewollt, denn diese Energie kann nicht mehr für das Licht verwendet werden. Sie wird in Wärme umgewandelt und ist für uns nicht mehr nutzbar. In thermischen Kraftwerken, wird aus dieser Wärmeenergie elektrische Energie. Dazu werden allerdings sehr hohe Temperaturen benötigt und die Wirkungsgrad solchen Kraftwerke ist stark begrenzt.
Kernergie
Auch in Atomkernen ist Energie gespeichert. Durch Kernspaltung in Atomkraftwerken oder bald auch durch Kernfusion kann diese Energie nutzbar gemacht werden.
Elektrische Energie
Die elektrische Energie benutzen wir jeden Tag, um elektrische Geräte zu betreiben. Vielleicht hast du auch schon den Begriff Strommenge gehört als Bezeichnung für die Energie. Wenn wir den Netzstecker in die Steckdose stecken, wird uns sofort Energie geliefert. Diese Energie wird in Kraftwerken aus anderen Energieformen hergestellt und über Stromleitungen zu uns transportiert.

Energieumwandlung

Nach dem Energieerhaltungssatz, geht Energie nie verloren. Sie wird umgewandelt. Wie das funktioniert, kannst du dir in folgendem Beispiel anschauen.
Abb. 3: Energieumwandlung am Beispiel einer Achterbahn
Abb. 3: Energieumwandlung am Beispiel einer Achterbahn
Beispiel:
Ort $1$:
Die Achterbahn befindet sich am Anfang am höchsten Punkt $h_{\text{ges}}$. Sie bewegt sich noch nicht und hat somit die Geschwindigkeit $v=0$. Ihre kinetische Energie ist also auch $0$, allerdings ist die potentielle Energie maximal.
Ort $2$:
Die Achterbahn fährt den Hügel hinunter und befindet sich ganz unten auf der Höhe $\text{h}=0$. Sie hat keine potentielle Energie mehr, die Bewegungsenergie muss somit nach dem Energieerhaltungssatz maximal sein, da die gesamte potentielle Energie in kinetische Energie umgewandelt wird.
Ort $3$:
Die Achterbahn befindet sich hier auf $\text{h}=\frac{1}{2}\;\text{h$_{ges}$}$. Der Wert der potentiellen Energie ist somit $\frac{1}{2}$ der gesamten potentiellen Energie. Die kinetische Energie an diesem Punkt muss deswegen auch $\frac{1}{2}$ ihrer gesamten Bewegungsenergie betragen.
An jeder Stelle muss gelten:
$E_{\text{ges}} = \frac{1}{2} \cdot m \cdot v^2 + m \cdot g \cdot h$
$E_{\text{ges}} = \frac{1}{2} m v^2 + m g h$
Bildnachweise [nach oben]
[1]
© 2016 – SchulLV.
[2]
http://robotik.dfki-bremen.de/uploads/ tx_dfkiprojects/Hydroelectric_dam.jpg – Hydroelectric dam, Tomia, CC BY-2.5.
3
© 2016 – SchulLV.
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