Startseite
Energieeinsatz im Haushalt zm_033

Feedback     Interesse an einer CD ?    

Energie, Arbeit, Leistung

Energie Eine vereinfachte Erklärung:
Physikalische Systeme oder chemische Stoffe beinhalten Energie,wenn sie imstande sind, Arbeit zu verrichten.

Mechanische Arbeit f_001

Beispiel: Welche Arbeit in kWh verrichtet jemand, der einen Schlitten mit der konstantenKraft F = 200 N eine Strecke von 5,4 km zieht?

Rechnung: f_002

Leistung f_003

Beispiel: Welche Leistung in W verrichtet jemand, der den Schlitten aus Beispiel 1 in 2 Stunden 5,4 km weit zieht?

Rechnung: f_004

Ein Maurer, der Steine mit einem Seil, das über eine Rolle läuft auf ein Gerüst befördert, verrichtet auch Arbeit. Diese Arbeit wird Hubarbeit genannt.

Hubarbeit f_005

Beispiel: Ein Maurer transportiert 2000 kg Steine mit Seil und Rolle auf ein 12 m hohes Gerüst.
Welche Hubarbeit verrichtet er dabei?

Rechnung: f_006

Bemerkung Die Arbeit, die der Maurer an den Steinen verrichtet, ist in diesen in Form von Potentieller Energie gespeichert.
(Das merkt man an der zerstörerischen Kraft der Steine, wenn diese wieder herunterfallen).

Jeder Gegenstand, der sich bewegt, hat Bewegungsenergie.
Man denke an ein mit hoher Geschwindigkeit fahrendes Auto, das gegen einen Baum rast.

Bewegungsenergie f_007

Beispiel: Ein Auto der Masse m = 1000 kg prallt mit einer Geschwindigkeit von 50 m/s (180 km/h) auf einen Baum.
Welche Bewegungsenergie hatte das Auto?

Rechnung: f_008

Bei den oben beschriebenen Energiearten handelt es sich um Mechanische Energie.
Des weiteren gibt es noch:

Elektrische Energie
E-Herd, Küchenmaschine, Kühlschrank
Wärmeenergie
Warmwasserbereitung, Kochen, Backen
Chemische Energie
Energie in den Brennstoffen, Kohle, Erdöl, Erdgas
Kernenergie
Bindungsenergie von Kernbausteinen
Licht
Photovoltaik, Photosynthese
Für all diese Energien gilt der Energieerhaltungssatz:

Energiesatz Energie ist eine Erhaltungsgröße.
Sie kann in einem abgeschlossenen System weder erzeugt werden noch verloren gehen,
sondern nur von einer Form in andere Formen umgewandelt werden.
Es gibt kein " Perpetuum Mobile " , das fortwährend Energie abgibt, ohne selbst Antriebsenergie zu benötigen.

Der Wirkungsgrad

Umwandlungsprozesse können nie zum Verlust von Energie führen, wohl aber zur Überführung eines Teils der eingesetzten Energie in eine unerwünschte Erscheinungsform, vor allem in Wärme.
Die Entstehung von Verlustwärme ist nicht nur durch technische Unzulänglichkeiten begründet, sondern auch durch unüberwindliche physikalische Gesetzmäßigkeiten.

Bei Umwandlungsprozessen lässt sich oft nicht die gesamt zur Verfügung stehende Energie in die gewünschte Form umwandeln.
Man spricht vom Wirkungsgrad einer Umwandlung.

Wirkungsgrad f_009

Da die Nutzenergie immer geringer ist als der Energieaufwand,
bewegt sich der Wirkungsgrad immer zwischen Null und Eins oder zwischen 0% bis 100%.

Beispiel: Das in einem Kaminofen verbrannte Holz (ca. 10 kg) hatte einen Heizwert von 160000 kJ.
Von der entstandenen Wärme wurden 60000 kJ durch den Kamin abgegeben.
Wie hoch war der Wirkungsgrad des Kamins?

Rechnung: f_010

Der Wirkungsgrad einer Anlage oder Maschine wird in % angegeben und kennzeichnet u.a. deren technische Güte.

Hier einige Wirkungsgrade im Vergleich:

Gerät Wirkungsgrad in %
Generator, Elektromotor 95
Wasserturbine 90
Akkumulator 70
Haushaltskohleofen 60
Elektrisches Handrührgerät 50
Kohlekraftwerk, Kernkraftwerk 36
Flugzeug - Gasturbine 35
Benzinmotor 25
Leuchtstofflampe 20
Solarzelle 12
Dampflokomotive 8
Glühlampe 2

Ergänzungen zum Wirkungsgrad

Bei einem elektrischen Handrührgerät etwa wird mehr als die Hälfte der zugeführten elektrischen Energie in den Motorwicklungen und durch Getriebereibung in Wärme umgesetzt.
Nur der kleinere Teil bleibt am Rührwerkzeug nutzbar.
Ein Wirkungsgrad von 100% ergibt sich nur, wenn mechanische oder elektrische Energie ausschließlich in Wärme überführt wird.
Auch die Umwandlung von Brennstoffenergie in mechanische und elektrische Energie (z.B. durch Kraftwerke) ist grundsätzlich nicht möglich, ohne dass Verlustwärme auftritt.

Auch beim Energieeinsatz im Haushalt ist ein hoher Wirkungsgrad nicht nur aus wirtschaftlichen, sondern mehr noch aus ökologischen Gründen zu fordern.
Jede Verbrennung setzt Kohlenstoffdioxid frei, das hauptverantwortlich für den Treibhauseffekt ist, d.h. für den zunehmenden Temperaturanstieg in der Atmosphäre infolge Absorption der Wärmestrahlung, die von der Erde abgegeben wird.
Dieser Effekt wird auch durch Stickstoffoxide gefördert, die insbesondere bei hohen Verbrennungstemperaturen entstehen.
Außerdem ist die Freisetzung von Methan und Flour - Chlor - Kohlenwasserstoffen (FCKW) daran beteiligt.
Der Einsatz von Kernbrennstoffen für die Stromerzeugung ist vom Prinzip her nicht treibhauswirksam, bringt dafür aber andere Risiken.

Primär -, Sekundär -,End - und Nutzenergie in Deutschland
gk_001

Die Abbildung verdeutlicht für Deutschland die Höhe der Umwandlungs - und Verteilungsverluste
(wesentlich durch die Stromerzeugung bedingt) und der Verluste beim Verbraucher.
Weniger als ein Drittel der eingesetzten Primärenergie wird als Nutzenergie wirksam.

Unter Eigenbedarf ist der Energiebedarf von Kraftwerken und Raffinerien selbst,
unter nicht energetischem Verbrauch die Verwendung von Energieträgern als chemischer Rohstoff, z.B. für die Kunststoffproduktion zu verstehen.

Weitere Begriffe

Energieträger
sind Stoffe, die Energie freisetzen können.
Primärenergie
ist Energie in der ursprünglichen Form, wie sie die Natur bereitstellt.
Primärenergieträger sind z.B. die fossilen Brennstoffe Kohle, Erdöl und Erdgas.
Auch Solarenergie, Wind - und Wasserkraft stellen Primärenergie dar.
Sekundärenergie
wird erst durch Umwandlungsprozesse (etwa die Stromerzeugung) aus Primärenergie gewonnen.
Sekundärenergieträger sind neben elektrischem Strom auch Raffinerieprodukte wie Benzin oder Dieselkraftstoff.
Endenergie
bezeichnet die Energieform, die letztlich beim Verbraucher zum Einsatz kommt.
Es kann sich dabei um Primärenergie oder um Sekundärenergie handeln.
Brennwert
eines Brennstoffes gibt an, welche Wärmeenergie (nicht elektrische Energie) bei vollständiger Verbrennung einer bestimmten Menge dieses Stoffes frei wird.
Steinkohleneinheiten (SKE)
Energiebedarfswerte werden in der Energiewirtschaft häufig in Steinkohlen - Einheiten (SKE) angegeben.
Der SKE - Faktor besagt, wie viel kg Steinkohle energetisch einem Kilogramm des jeweiligen Brennstoffes entsprechen.
  Vergleich zwischen Menge, Heizwert und SKE von Energieträgern
    Steinkohle Braunkohle Brennholz Benzin Heizöl Erdgas Propangas
  Menge 1 kg 1kg 1kg 1 Liter 1 Liter 1 m3 1 m3
  Heizwert 8,14 kWh 2,3 kWh 4,0 kWh 9,1 kWh 9,8 kWh 9 - 11,5 kWh 28,7 kWh
  SKE - Faktor 1,00 0,28 0,49 1,49 1,46 1,1 - 1,4 1,57

Ergänzungen zum Energieeinsatz

Einen sparsamen Umgang mit Energie erzwingt nicht zuletzt die absehbare Erschöpfung der Brennstoffvorräte der Erde.
Die Reichweite ist bei Mineralöl auf wenige Jahrzehnte begrenzt, ebenso bei den meisten anderen fossilen Brennstoffen (auch bei Uran) mit Ausnahme von Steinkohle.

Es ist zu bedenken, dass die Entwicklungsländer, in denen 80% der Weltbevölkerung leben, heute nur 20% des Primärenergiebedarfs beanspruchen.
Die Förderung von energiesparenden Technologien und von Verfahren zur nachhaltigen Nutzung regenerativer (nicht erschöpfbarer) Energieformen wie Solarenergie, Wind - und Wasserkraft so wie Erdwärme ist daher auch angesichts des Nachholbedarfs der dritten Welt vordringlich.

  gk_002
 

Für einen erheblichen Teil des Energiekonsums sind die privaten Haushalte verantwortlich.
Die Haushalte beanspruchen (mit Heizung und Privatfahrzeugen) mehr als ein Drittel der Energie, die insgesamt eingesetzt wird.

Nach der Raumheizung und dem Kraftfahrzeugbetrieb entfallen die höchsten Anteile auf die Warmwasserzubereitung so wie auf Kühlen und Gefrieren.
Im Hauswirtschaftlichen Bereich ist hoher Energiebedarf fast immer durch thermische Prozesse bedingt, während der Anteil mechanischer Arbeit vernachlässigbar ist.