Energieformen und Energieträger

Energieformen

Energie existiert in vielen unterschiedlichen Formen. Im Abschnitt Energie und Energieerhaltung wurden bereits verschiedene mechanische Energieformen und deren Umwandlungen beschrieben.

In unserem Alltag spielen neben mechanischen Energieformen vor allem folgende Energieformen eine große Rolle:

Chemische Energie

Elektrische Energie

Wärmeenergie

Für alle Vorgänge ist Energie notwendig. Energie ist jedoch nichts Stoffliches, das verbraucht wird, sondern bei jedem Vorgang werden verschiedene Energieformen ineinander umgewandelt.

Energieträger

Als Energieträger bezeichnet man überwiegend Stoffe (Materie), in denen Energie (in Form von chemischer Energie oder auch Kernenergie) gespeichert ist. Durch Umwandlung dieser gespeicherten Energie (z.B. durch Verbrennung oder Kernumwandlung) wird diese zunächst in Wärmeenergie und anschließend ggf. in weitere nutzbare Energieformen umgewandelt.

Als Energieträger kommen u.a. alle Stoffe in Frage, bei deren Verbrennung Energie abgegeben wird. Besonders effizient sind

Kohle

Öl

Gas

Biomasse

…

Außerdem gibt es Stoffe, die durch Kernumwandlungen (Kernspaltung oder Kernfusion) einen Teil der in ihnen gespeicherten Kernenergie nutzbar machen lassen.

Für die Kernspaltung sind das

Uran

(Plutonium)

Für die Kernfusion (noch nicht wirtschaftlich nutzbar) verwendet man

Wasserstoff (Deuterium, Tritium)

Helium

Primäre Energieträger

Einige der genannten Energieträger kommen direkt in der Natur vor, wie z.B. Kohle, Erdöl oder Erdgas. Man bezeichnet sie daher als primäre Energieträger.

Die meisten der primären Energieträger sind über lange Zeiten hinweg durch den Abbau von toten Pflanzen und Tieren entstanden. Sie werden daher auch als fossile Energieträger bezeichnet.

Zu den Primärenergieträgern gehören jedoch auch Sonne, Wind, Biomasse sowie Uranerze (zur Herstellung von Kernbrennstoffen).

Sekundäre Energieträger

Als sekundäre Energieträger werden Energieträger bezeichnet, die durch Energieumwandlung oder in Raffinerien erzeugt werden.

Dazu gehören Treibstoffe (Benzin, Dieselkraftstoff, Kerosin etc.) sowie Briketts, Ethanol aber auch Wasserstoff, der z.B. mit Hilfe von Windenergie durch Reformierung oder durch Elektrolyse erzeugt wird. Auch elektrische Energie wird häufig als Sekundärenergie bezeichnet.

Elektrizität

Die elektrische Energie stellt die für den Menschen am flexibelsten einsetzbare Energieform dar und ist für uns daher am “wertvollsten”. Sie kann aus vielen Energieträgern erzeugt werden und lässt sich problemlos in viele andere Energieformen umwandeln. Außerdem kann man sie über weite Strecken dorthin transportieren, wo sie benötigt wird.

Elektrische Energie und Leistung

In verschiedenen Geräten wird elektrische Energie in andere Energieformen umgewandelt, um z.B. Licht auszusenden, mechanische Arbeit zu verrichten oder Wärme abzugeben.

Die umgewandelte Energie ist umso größer,

je größer die anliegende Spannung U ist
je größer die Stromstärke I ist, die durch das Gerät fließt
je größer die Zeit t ist, in der das Gerät in Betrieb ist

Um die umgewandelte (umgangssprachlich: “verbrauchte”) Energie zu berechnen, greifen wir auf folgende Zusammenhänge aus der Elektrizitätslehre zurück:

Die elektrische Stromstärke I lässt sich berechnen aus der fließenden Ladung(smenge) Q in der Zeit t:

$I=\dfrac {Q}{t}$ Damit gilt für die Ladungsmenge: $Q=I\cdot t$

Die elektrische Spannung U ist definiert als Arbeit W pro Ladung(menge) Q:

$U=\dfrac {W}{Q}$ Damit gilt für die verrichtete Arbeit: $W=U\cdot Q$

Ersetzen wir die Ladungsmenge $Q$ durch den Ausdruck $I\cdot t$ , erhalten wir für die Arbeit

$W=U\cdot I\cdot t$

Die aufgewendete Arbeit entspricht der umgesetzten Energie.

Die umgewandelte Energie beträgt also

$E=U\cdot I\cdot t$

Die Einheit der Energie ist 1 Joule (J).

Die Energie 1 Joule wird umgewandelt (“verbraucht”), wenn während einer Zeit von einer Sekunde bei einer Spannung von 1 Volt ein Strom der Stärke 1 Ampere fließt.

Es gilt also: 1 J = 1 VAs

Wie viel Energie ein Gerät in einer bestimmten Zeit verbraucht, kann man ganz einfach aus der Angabe der Leistung P ermitteln.

Elektrische Leistung

Die Leistung P ist eine Größe, die wir bereits aus der Mechanik kennen. Man erhält sie aus dem Quotienten aus Arbeit W bzw. Energie E und Zeit t:

$P=\dfrac {W}{t}$ bzw. $P=\dfrac {E}{t}$

Je mehr Arbeit in einer bestimmten Zeit verrichtet wird, umso größer die Leistung.

Die Einheit der Leistung lautet entsprechend

$1\dfrac {J}{s}=1W$ (Watt)

Die elektrische Leistung gibt an, welcher Betrag an elektrischer Energie in einer bestimmten Zeit in andere Energieformen umgewandelt wird. Umgangssprachlich ist das der Energieverbrauch, den wir beim E-Werk bezahlen müssen.

Dieser Energieverbrauch lässt sich aus der Leistung und der Zeit (Betriebsdauer) berechnen:

$E=P\cdot t$

Die Einheit, die sich daraus ergibt ist 1 Ws (Wattsekunde).

Es gilt: 1 Ws = 1 J

Setzt man die Zeit in Stunden (1 h = 3.600 s) und die Leistung in Kilowatt (kW, 1 kW = 1000 W) ein, ergibt sich die Energieeinheit, die man auch auf der Energiekostenrechnung findet, nämlich die Kilowattstunde (kWh).

Es gilt: 1 kWh = 3.600.000 J = 3,6 MJ (Megajoule)

Setzt man für die elektrische Energie den Ausdruck $E=UIt$ (s.o.) ein, so erhält man für die elektrische Leistung

$P=UI$

Die elektrische Leistung lässt sich damit einfach aus Spannung $U$ und Stromstärke $I$ berechnen.

Elektrische Energie

Die umgewandelte (“verbrauchte“) elektrische Energie lässt sich aus der elektrischen Leistung P und der Nutzungsdauer t berechnen:

Elektrische Energie $E=P\cdot t$

Die Einheit der Energie ist das Joule (J). Es gilt:

1 J = 1 Ws 1 kWh = 3.600.000 Ws = 3.600.000 J

Elektrische Leistung

Die elektrische Leistung ergibt sich aus dem Produkt aus Spannung U und Stromstärke I:

Elektrische Leistung $P=U\cdot I$

Die Einheit der Leistung ist Watt (W). Es gilt:

1 W = 1 VA

1 MW = 10⁶ W = 10³ kW

Anwendungsbeispiele

1) Glühlampe

Eine 60 W-Glühlampe verbraucht in einer Stunde die Energie

$E=P\cdot t=60\, W\cdot 1\, h=60\, Wh=0,06\, kWh$

Ist eine solche Glühlampe jeden Tag 2 Stunden in Betrieb, so ergibt sich ein Energieverbrauch im Jahr von

$E=0,06\, kWh\cdot 2\cdot 365=43,8\, kWh$ .

Die Kosten für 1 kWh elektrischer Energie betragen zur Zeit je nach Stromtarif etwa 30 Cent.

Die jährlichen Kosten für den Betrieb der Glühlampe belaufen sich demnach auf etwa 43,8 kWh · 0,30 €/kWh = 13,14 €.

Zum Vergleich:

Eine Energiesparlampe oder LED-Lampe mit der gleichen Helligkeit hat eine Leistung von nur ca. 10W, also nur 1/6 von der Glühlampe. Der Energieverbrauch beträgt damit auch nur 1/6 von dem der Glühlampe.

Die Betriebskosten pro Jahr betragen bei gleicher Nutzungsdauer wie der Glühlampe damit nur 2,19€.

Ersetzt man die 60 W-Glühlampe durch eine LED-Lampe, lassen sich pro Jahr also etwa 10,95 € an Energiekosten sparen. Damit hätte man nach einem Jahr in jedem Fall den höheren Anschaffungspreis gespart.

Außerdem ist die Lebensdauer von Energiesparlampen oder LED-Lampen in der Regel deutlich größer als die einer Glühlampe (8.000 – 15.000 Stunden gegenüber ca. 1.000 Stunden).

2) Haartrockner

Ein Haartrockner mit einer Leistung von 1600 W “verbraucht” in drei Stunden

$E=Pt=1600\, W\cdot 3\, h=4800\, Wh=4,8\, kWh$

Info:

Der Verbrauch an elektrischer Energie im Haushalt hängt u.a. von der Anzahl der im Haushalt lebenden Personen ab.

Der durchschnittliche Verbrauch für einen 3-Personen-Haushalt beträgt ca. 3.500 kWh im Jahr.

Der Verbrauch ist jedoch außerdem stark vom Verhalten der Bewohner sowie der technischen Ausstattung des Hauses (Art und Anzahl der elektrischen Verbraucher) abhängig. Durch effektive Maßnahmen zum Energiesparen lässt sich der durchschnittliche Verbrauchswert in den meisten Haushalten mindestens halbieren.

Warum Energie sparen?

Neben den Kosten, die durch den Verbrauch an elektrischer Energie entstehen, gibt es weitere Gründe, den Energieverbrauch zu reduzieren.

Für die “Erzeugung” elektrischer Energie werden noch immer zum großen Teil fossile Energieträger genutzt. Durch mehrere Umwandlungsprozesse kann allerdings nur ein Teil der Primärenergie in elektrische Energie umgewandelt werden. Außerdem ist die Verbrennung fossiler Energieträger mit einer Vielzahl an bedeutenden Problemen verbunden, wie z.B.

Verknappung der Ressourcen
Emission von CO₂ (Kohlendioxid)
Entstehung von Schadstoffen
Umweltbelastungen durch Förderung und Transport
Abhängigkeit von Erzeugerländern
uvm.

Um die Energieversorgung für die Zukunft zu sichern und die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern zu verringern, werden zunehmend Energieformen eingesetzt, deren Nutzung nicht zur Erschöpfung der Quellen führt.

Diese Energie wird daher als erneuerbare Energie oder regenerative Energie bezeichnet.

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