Energiespeicherung und Verfügbarkeit
Am 5. Januar liegt Nebel über dem Rheinland, kaum ein Lüftchen weht. Die Windräder stehen fast still und die Solarmodule auf dem Schuldach liefern fast nichts. Trotzdem schaltest du abends das Licht an und lädst dein Handy. Woher kommt der Strom? Und wohin mit dem Überschuss, wenn an einem sonnigen, windigen Tag mehr Strom erzeugt wird, als verbraucht wird?
Schwankende Verfügbarkeit
Windenergie und Photovoltaik hängen vom Wetter und von der Tageszeit ab. Der Verbrauch richtet sich dagegen nach unserem Alltag: morgens und abends ist er hoch, nachts niedrig. Erzeugung und Verbrauch passen deshalb oft nicht zusammen.
In der Mittagszeit gibt es einen Überschuss, nachts eine Lücke. Beides lässt sich ausgleichen, wenn man Energie speichert: Überschuss laden, Lücke entladen.
Warum liefern Photovoltaikanlagen nachts keinen Strom?
Warum liefern Photovoltaikanlagen nachts keinen Strom?
An einem windarmen, bewölkten Wintertag liefern Wind- und Solaranlagen kaum Strom („Dunkelflaute“). a) Erkläre, warum das ein Problem für die Stromversorgung ist. b)…
An einem windarmen, bewölkten Wintertag liefern Wind- und Solaranlagen kaum Strom („Dunkelflaute“).
- a) Erkläre, warum das ein Problem für die Stromversorgung ist.
- b) Nenne zwei Lösungsansätze.
Wie speichert man elektrische Energie?
Strom selbst lässt sich kaum speichern. Man wandelt ihn in eine andere Energieform um und später zurück:
| Speicher | Gespeicherte Energieform | Typische Merkmale |
|---|---|---|
| Pumpspeicherkraftwerk | Lageenergie des Wassers | Wirkungsgrad ca. 75–80 %, Stunden bis Tage, große Leistung |
| Akku / Batteriespeicher | chemische Energie | Wirkungsgrad ca. 90 %, Stunden bis Tage, teuer pro kWh |
| Power-to-Gas (Wasserstoff) | chemische Energie im Gas | Wirkungsgrad ca. 30–40 %, Wochen bis Monate, sehr große Mengen |
Pumpspeicher: Bei Stromüberschuss pumpt man Wasser aus einem Unterbecken in ein höher gelegenes Oberbecken. Bei Bedarf lässt man es durch Turbinen zurück nach unten fließen. Die Turbinen treiben Generatoren an. Solche Anlagen gibt es zum Beispiel im Sauerland.
Power-to-Gas: Überschussstrom spaltet Wasser durch Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff. Den Wasserstoff kann man lagern und später in Kraftwerken oder Brennstoffzellen wieder in Strom umwandeln. Das dauert lange und verliert viel Energie, eignet sich aber für Wochen.
Nenne drei Möglichkeiten, elektrische Energie zu speichern.
Nenne drei Möglichkeiten, elektrische Energie zu speichern.
Was ist ein Pumpspeicherkraftwerk? Beschreibe die Funktionsweise kurz.
Was ist ein Pumpspeicherkraftwerk? Beschreibe die Funktionsweise kurz.
Ein Windpark erzeugt an einem Tag mit Starkwind mehr Strom, als verbraucht wird. Vergleiche Pumpspeicher, Batteriespeicher und Power-to-Gas hinsichtlich Wirkungsgrad,…
Ein Windpark erzeugt an einem Tag mit Starkwind mehr Strom, als verbraucht wird. Vergleiche Pumpspeicher, Batteriespeicher und Power-to-Gas hinsichtlich Wirkungsgrad, Speicherdauer und Kosten, und empfiehl begründet eine Lösung für die Speicherung über mehrere Wochen.
Rechnen mit Speichern
Drei Formeln reichen aus:
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Energie aus Leistung und Zeit: $E = P \cdot t$
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Wirkungsgrad: $\eta = \dfrac{E_\text{nutz}}{E_\text{zu}}$
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Lageenergie: $E = m \cdot g \cdot h$ mit $g = 10\,\tfrac{\text{N}}{\text{kg}}$ (Näherung) oder $9{,}81\,\tfrac{\text{N}}{\text{kg}}$
Umrechnung: $1\,\mathrm{kWh} = 3{,}6\cdot10^{6}\,\mathrm{J}$ und $1\,\mathrm{MWh} = 1000\,\mathrm{kWh}$.
Ändert sich die Leistung im Lauf des Tages, rechnest du Abschnitt für Abschnitt: Für jeden Zeitabschnitt gilt $E = P \cdot t$, danach addierst du die Energien: $E_\text{ges} = P_1\cdot t_1 + P_2\cdot t_2 + \dots$. Beispiel: $2\,\mathrm{kW}$ für $3\,\mathrm{h}$ und $5\,\mathrm{kW}$ für $2\,\mathrm{h}$ ergeben $6\,\mathrm{kWh} + 10\,\mathrm{kWh} = 16\,\mathrm{kWh}$.
Um einen Speicher zu dimensionieren, vergleichst du Erzeugung und Verbrauch in jedem Abschnitt: Wo der Verbrauch größer ist als die Erzeugung, entsteht eine Lücke. Die nötige Speicherkapazität ist die Energie, die in der längsten zusammenhängenden Lücke fehlt, z. B. $0{,}5\,\mathrm{kW}$ Verbrauch über $10\,\mathrm{h}$ Dunkelheit ergibt $5\,\mathrm{kWh}$. Der Speicher lohnt sich nur, wenn der Überschuss tagsüber reicht, um ihn wieder zu füllen, und wenn er nicht viel größer ist als diese Lücke.
Ein Pumpspeicherkraftwerk pumpt mit $100\ \text{MWh}$ Strom Wasser nach oben und gewinnt später $75\ \text{MWh}$ zurück. a) Berechne den Wirkungsgrad. b) Wohin gehen die…
Ein Pumpspeicherkraftwerk pumpt mit $100\ \text{MWh}$ Strom Wasser nach oben und gewinnt später $75\ \text{MWh}$ zurück.
- a) Berechne den Wirkungsgrad.
- b) Wohin gehen die restlichen $25\ \text{MWh}$?
Ein Haushalt hat einen Heimspeicher mit $8{,}0\ \text{kWh}$ Kapazität. Der Haushalt verbraucht abends $3{,}2\ \text{kWh}$. a) Wie viel Prozent der Kapazität werden…
Ein Haushalt hat einen Heimspeicher mit $8{,}0\ \text{kWh}$ Kapazität. Der Haushalt verbraucht abends $3{,}2\ \text{kWh}$.
- a) Wie viel Prozent der Kapazität werden benötigt?
- b) Wie lange reicht der volle Speicher bei einer mittleren Leistung von $400\ \text{W}$?
Ein Stausee mit Fläche $1{,}0\ \text{km}^2$ kann um $5{,}0\ \text{m}$ abgesenkt werden. Die mittlere Fallhöhe beträgt $200\ \text{m}$. Verwende $g=10\ \text{m/s}^2$ und…
Ein Stausee mit Fläche $1{,}0\ \text{km}^2$ kann um $5{,}0\ \text{m}$ abgesenkt werden. Die mittlere Fallhöhe beträgt $200\ \text{m}$. Verwende $g=10\ \text{m/s}^2$ und $\rho_\text{Wasser}=1000\ \text{kg/m}^3$.
- a) Berechne die Wassermasse und die gespeicherte Energie in kWh.
- b) Wie lange könnte ein Kraftwerk mit $100\ \text{MW}$ damit Strom liefern (ohne Verluste)?
An einem Tag liefert eine Photovoltaikanlage die Leistung (in kW) $0$ (0–6 Uhr), $4$ (6–12 Uhr), $6$ (12–18 Uhr), $0$ (18–24 Uhr). Der Haushalt benötigt konstant…
An einem Tag liefert eine Photovoltaikanlage die Leistung (in kW) $0$ (0–6 Uhr), $4$ (6–12 Uhr), $6$ (12–18 Uhr), $0$ (18–24 Uhr). Der Haushalt benötigt konstant $1{,}0\ \text{kW}$.
- a) Berechne Erzeugung und Verbrauch des Tages.
- b) Welche Speicherkapazität wäre nötig, um die Nacht (18–6 Uhr, keine Erzeugung) zu überbrücken? Verluste werden vernachlässigt.
- c) Beurteile, ob ein Speicher von $10\ \text{kWh}$ sinnvoll ist.
Speicher bewerten
Für eine Empfehlung vergleichst du Speicher nach Kriterien: Wirkungsgrad, Speicherdauer, Kosten, Speichergröße und Standortbedarf. Es gibt keinen „besten“ Speicher, sondern nur den passenden für eine Aufgabe.
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Kurzfristig (Stunden): Heimspeicher und Batterien. Sie gleichen den Tag-Nacht-Rhythmus der Photovoltaik aus.
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Mittelfristig (Tage): Pumpspeicher, geeignet für Mittelgebirge wie das Sauerland. Die Standorte sind begrenzt.
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Langfristig (Wochen bis Monate): Wasserstoff. Der Wirkungsgrad ist niedrig, aber die Mengen sind sehr groß.
Weitere Maßnahmen gegen schwankende Verfügbarkeit: ein überregionales Stromnetz, steuerbare Kraftwerke als Reserve, Lastmanagement (Verbrauch in sonnige oder windige Zeiten verschieben) und eine Mischung aus Wind und Sonne, weil sie sich oft ergänzen.
Zurück zum Anfang: An einem windstillen Wintertag kommt der Strom aus Speichern (Pumpspeicher, Akkus, Wasserstoff), aus steuerbaren Kraftwerken und aus Importen über das Stromnetz.