Eine kurze Geschichte der Energieeinheiten

Ich trinke gern Kaffee – aus purem Genuss, aber manchmal auch in der Hoffnung auf einen Energieschub. Dabei hat eine Tasse schwarzer Kaffee kaum physiologischen Brennwert; ein großer Milchkaffee dagegen kommt immerhin auf etwa 85 Kilokalorien. Was bedeuten diese Energieeinheiten? Darunter kann sich jede Frau, die schon mal eine Diät gemacht hat, etwas vorstellen (und natürlich auch jeder Mann).

Die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten

Dabei wurde die Kalorie als internationale SI-Einheit schon längst durch die Einheit Joule ersetzt. Der Brennwert unseres Milchkaffees entspricht rund 356 Kilojoule. 1 Kilojoule sind 1000 Joule (J) oder 1000 Wattsekunden (Ws). Damit haben wir schon Bekanntschaft gemacht mit einer Energieeinheit – und einem so genannten Vorsatzzeichen (Kilo), das für den Faktor 1000 steht…

Aber von vorn. Wer Energie verstehen möchte, kommt um ein bisschen Mathe und Physik nicht herum. Vielleicht erinnert sich der eine oder die andere noch an diese vereinfachende Definition aus dem Physikunterricht: Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Eine Strecke mit dem Auto zurücklegen, einen Topf Suppe heiß machen oder einen Ball ins Tor schießen, all das ist physikalische Arbeit und erfordert Energie. Sehr wichtig ist der Zusammenhang (und der Unterschied!) zwischen Energie und Leistung. Die Leistung ist definiert als Arbeit, die pro Zeiteinheit verrichtet wird:

Die Einheit der Energie E bzw. Arbeit ist Joule oder Wattsekunde, die Einheit der Zeit t ist Sekunde, und – voilà – entsteht als Einheit der Leistung P das Watt:

Beispiel gefällig? Bleiben wir beim Fußball, den ich oben schon ins Spiel gebracht habe. Zu Trainingszwecken schießt jeder Spieler einmal auf das Tor, der Torwart hält jeden einzelnen. Nun kommt zufällig das Mädchenteam dazu und gibt den Jungens Gas: In der gleichen Zeit landen nun doppelt so viele Bälle im Tor. Der Torwart bringt die doppelte Leistung.

Wat is ein Mega-Watt?

Und wenn in ganz Deutschland gerade noch eine Million Menschen das Gleiche macht, wird mega viel Energie umgesetzt. Erst recht bei Kraftwerken und Energieeinheiten mit großen Werten: Die Zahlen können ganz schön groß werden. Deshalb haben sich so genannte Vorsatzzeichen eingebürgert, die eine Einheit jeweils um den Faktor 1000 erhöhen:

Energieeinheiten: Vorsätze und ihre Abkürzungen (1000er-Faktoren)

 

Diese Abkürzungen kann man nach  Bedarf mit den entsprechenden Größen verbinden. So erscheint der Energieverbrauch auf der Stromrechnung in Kilowattstunden (kWh) und die Leistung eines Windparks wird in Megawatt (MW) angegeben. Beim Umrechnen und Vergleichen muss man aufpassen, welche Einheit in welcher Größenordnung gerade verwendet wird; bei den verschiedenen Zeiteinheiten ist es noch vertrackter, da die Umrechnung bekanntlich hier nicht dezimal (also in 10er-Schritten) funktioniert, sondern eine Stunde 3.600 Sekunden hat.

Leistungsangaben und Energiemengen

Elektrische Leistungsangaben kennen wir nicht nur vom Staubsauger oder der Bohrmaschine, sondern auch von Solarmodulen. In der Heizungstechnik geht es natürlich um Wärmeenergie, angegeben in Kilowattstunden (kWh). Und da interessieren besonders Wärmemengen. Allgemein ist die Wärmemenge die Energie, die notwendig ist, um einen Körper oder eine Flüssigkeit zu erwärmen. Die erforderliche Wärmemenge ist abhängig vom Temperaturunterschied (Erwärmung von einer niedrigeren Temperatur auf eine höhere), der Masse des erwärmten Stoffes und dessen spezifischer Wärmekapazität. In der Heiztechnik, zum Beispiel bei der Wärmepumpe oder Solarthermie, ist der Einsatz eines Wärmemengenzählers sinnvoll. Er misst Vor- und Rücklauftemperatur und Durchflussvolumen des Heizkreislaufs, ermittelt aus diesen Daten die Wärmemenge in Kilowattstunden und summiert sie auf. So können die Werte für bestimmte Zeitspannen abgerufen werden – zum Beispiel über ein ganzes Jahr hinweg oder einzelne Monate.

Wichtige Größen und Einheiten in der Energiewirtschaft

Energieeinheiten: Größenordnungen im Griff

Aber ich will Euch hier nicht nur trockene Größen, Einheiten und Faktoren aufzählen, sondern möglichst auch ein Gefühl für die Größenordnungen vermitteln, die in der Energiewirtschaft so auftauchen. Zunächst mal, wie viel Energie verbrauchen wir überhaupt? Ein 4-Personen-Haushalt braucht laut Energieagentur NRW rund 4.500 kWh Strom pro Jahr. Mit einer kWh Strom kann man zum Beispiel 7 Stunden fernsehen, 70 Tassen Kaffee kochen oder eine Stunde lang mit einem 1000-Watt-Bohrhämmerchen die Wand durchlöchern. Ein einzelnes Windrad hingegen kann schon eine Nennleistung um die 2 MW haben, also das 2.000-fache unserer Bohrmaschine. Ende 2011 waren in Deutschland gut 29.000 MW Leistung aus Windenergie installiert.

Die Größenordnungen von Heizwärme lassen sich am Einfamilienhaus verdeutlichen. Je nach Energiestandard schwankt der Heizwärmebedarf; in den letzten Jahren und Jahrzehnten hat sich viel getan. Vor 1980 lag der Heizenergiebedarf eines Hauses bei 300 kWh pro Jahr und Quadratmeter, beim Passivhaus sind es 10-15 kWh. Moderne Niedrigenergiehäuser unterschreiten 70 kWh pro Quadratmeter und Jahr. Und wie viel Energie steckt eigentlich in welchem Brennstoff? Hier eine kleine Übersicht:

Energieinhalt verschiedener Brennstoffe im direkten Vergleich

Die Sonneneinstrahlung je Quadratmeter in Deutschland beträgt, über das Jahr aufsummiert, übrigens 1.000 kWh – größenordnungsmäßig etwa ein Fass mit 100 Litern Heizöl! Das spricht ganz klar für das Heizen mit der Sonne.

Quellen: www.umweltbundesamt.de; Bundesverband Windenergie; Buch: Solarwärme für den Hausgebrauch, Solarpraxis AG; wikipedia

Titelfoto: (c) Weyrauch