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Energiespeicher und die Zukunft der Versorgung

Wohin mit dem Strom, den gerade niemand braucht? Pumpspeicher, Batterien und Wasserstoff geben eine Antwort.

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Pumpspeicherkraftwerk im Tagesbetrieb

AFB I–II

Ein Pumpspeicherkraftwerk verbindet zwei Becken mit einem Höhenunterschied von \(h = 400\ \text{m}\). Beim Entladen fließen in einer Stunde \(m = 1{,}8 \cdot 10^{6}\ \text{kg}\) Wasser vom Oberbecken durch die Turbine ins Unterbecken. Der Wirkungsgrad der Entladung beträgt \(\eta = 80\,\%\). Rechnen Sie mit \(g = 9{,}81\ \text{m/s}^2\) und \(1\ \text{kWh} = 3{,}6 \cdot 10^{6}\ \text{J}\).

  1. Nennen Sie zwei Gründe, warum ein Stromnetz mit viel Sonnen- und Windstrom Speicher braucht.
  2. Berechnen Sie die elektrische Energie in kWh, die das Kraftwerk in dieser Stunde ins Netz abgibt.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Denken Sie daran, wann Solarstrom anfällt und wann in einem Haushalt am meisten Strom gebraucht wird.Zwei Stichpunkte genügen, eine Erläuterung ist nicht verlangt.
Hinweis zu Aufgabe b)
Erst \(E = m \cdot g \cdot h\) in Joule berechnen, dann durch \(3{,}6 \cdot 10^{6}\) teilen und zuletzt mit dem Wirkungsgrad multiplizieren.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Erzeugung und Verbrauch fallen zeitlich auseinander: Mittags liefern Solaranlagen mehr Strom, als gebraucht wird, abends dagegen zu wenig. Außerdem muss die eingespeiste Leistung jederzeit der entnommenen entsprechen, damit die Netzfrequenz von 50 Hz stabil bleibt.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Ansatz: \(E = m \cdot g \cdot h\). Rechnung: \(E = 1{,}8 \cdot 10^{6}\ \text{kg} \cdot 9{,}81\ \text{m/s}^2 \cdot 400\ \text{m} = 7{,}06 \cdot 10^{9}\ \text{J}\). Umrechnung: \(7{,}06 \cdot 10^{9}\ \text{J} : 3{,}6 \cdot 10^{6}\ \text{J/kWh} = 1962\ \text{kWh}\). Mit dem Wirkungsgrad: \(E_{\text{el}} = 0{,}80 \cdot 1962\ \text{kWh} \approx 1570\ \text{kWh}\). Antwort: Das Kraftwerk speist in dieser Stunde rund 1570 kWh ins Netz ein.

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Eine Gemeinde vergleicht zwei Speicher

AFB II–III

Eine Gemeinde will überschüssigen Solarstrom speichern und prüft zwei Angebote. Speicher A (Batteriespeicher): Kapazität 800 kWh, Wirkungsgrad 92 %, Leistung 400 kW, sinnvolle Speicherdauer Stunden bis Tage, Kosten 400 000 €. Speicher B (Power-to-Gas mit Wasserstoff): Kapazität 40 000 kWh, Wirkungsgrad 32 %, Leistung 200 kW, Speicherdauer Monate, Kosten 1 200 000 €. Der Solarstrom fällt mittags an, gebraucht wird er abends; der abendliche Bedarf liegt bei etwa 600 kWh.

  1. Erklären Sie, warum ein Speicher neben dem Wirkungsgrad auch durch Kapazität, Leistung und Speicherdauer beschrieben werden muss.
  2. Vergleichen Sie beide Angebote, indem Sie jeweils die nutzbare Energie und die Kosten je nutzbarer Kilowattstunde berechnen.
  3. Bewerten Sie, welcher Speicher für den abendlichen Bedarf der Gemeinde besser geeignet ist.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Überlegen Sie für jede Größe, welche Frage sie beantwortet: wie viel Energie hineinpasst, wie schnell sie fließt, wie lange sie bleibt und welcher Anteil zurückkommt.
Hinweis zu Aufgabe b)
Nutzbare Energie = Kapazität · Wirkungsgrad; anschließend die Kosten durch diese Energie teilen.
Hinweis zu Aufgabe c)
Urteilen Sie anhand der Kriterien Speicherdauer, nutzbare Energie im Vergleich zum Bedarf, Wirkungsgrad und Kosten.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Der Wirkungsgrad sagt nur, welcher Anteil der Energie zurückkommt. Die Kapazität (in kWh) gibt an, wie viel Energie überhaupt hineinpasst, die Leistung (in kW), wie schnell sie aufgenommen oder abgegeben werden kann, und die Speicherdauer, über welchen Zeitraum sich die Energie halten lässt. Ein Speicher mit hohem Wirkungsgrad ist nutzlos, wenn seine Kapazität zu klein oder seine Leistung zu gering ist.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Speicher A: \(E_{\text{nutz}} = 800\ \text{kWh} \cdot 0{,}92 = 736\ \text{kWh}\); Kosten je kWh: \(400\,000\ €\ :\ 736\ \text{kWh} \approx 543\ €/\text{kWh}\). Speicher B: \(E_{\text{nutz}} = 40\,000\ \text{kWh} \cdot 0{,}32 = 12\,800\ \text{kWh}\); Kosten je kWh: \(1\,200\,000\ €\ :\ 12\,800\ \text{kWh} \approx 94\ €/\text{kWh}\). Speicher A hat den weit höheren Wirkungsgrad und die größere Leistung, Speicher B die rund 17-mal größere nutzbare Energie, die längere Speicherdauer und die deutlich geringeren Kosten je Kilowattstunde.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Erwartet wird ein begründetes Urteil für Speicher A: Der abendliche Bedarf von 600 kWh liegt unter den 736 kWh nutzbarer Energie, die Speicherdauer von einigen Stunden passt zum Tag-Nacht-Rhythmus, und mit 92 % geht kaum Energie verloren; die Leistung von 400 kW reicht, um die 600 kWh in wenigen Stunden abzugeben. Speicher B ist zwar je Kilowattstunde billiger, seine große Kapazität und lange Speicherdauer werden hier aber nicht gebraucht, und bei 32 % Wirkungsgrad ginge über die Hälfte des Solarstroms verloren. Vollständig ist die Antwort, wenn mindestens zwei Kriterien mit Zahlen belegt und gegen das Gegenargument (Kosten je kWh) abgewogen werden.