Arbeitsblatt: Energie

Energie ist das Thema unserer Zeit ist der Schlüssel der Zukunft ist die Kraft, welche die Objekte in setzt und in hält (Albert von Péterffy) Verschiedene Arten von Energie Begriffe Man unterscheidet zwischen m Energie (1. potentielle (sog. Lageenergie) und 2. kinetische ( Bewegungs-) Energie), t_ ( Wärme-) Energie, e und ch Energie, Kenergie und St_energie (Licht). Unter einem E wird ein Stoff oder Energiefeld verstanden, aus dem direkt oder durch Umwandlungen N_ gewonnen werden kann. Energieträger können nach dem Grad der Umwandlung unterteilt werden in Penergieträger (bspw. Rohöl), S energieträger (bspw. Heizöl) und E_energieträger (bspw. das Heizöl im Tank des Verbrauchers). Dabei entstehen Umwandlungs- und Verteilungsv_. Die Nenergie ist dann bspw. die durch das Verbrennen von Heizöl entstandene im Wohnhaus. Der Begriff des W_ grades wird verwendet, um die (Wirksamkeit) von Energieumwandlungen und von Energieübertragungen zu beschreiben. Beispiel: Schlagbohrmaschine Im Elektromotor gehen 30% der zugeführten Energie verloren (W- und Rverluste). Im Getriebe gehen erneut 10% der vom Motor zugeführten Energie aufgrund der R verloren. Somit ist der Wirkungsgrad des Elektromotors 70% 0,70 und der des Getriebes 90% 0,90. Für den Gesamtwirkungsgrad des Schlagbohrers gilt dann: Schlagbohrer 0,70 0.90 0.63. Dies bedeutet, dass letztlich 63 der zugeführten Energie in Energie umgesetzt wird. Obwohl bei Energieumwandlung niemals Energie verloren geht, entstehen Verluste, wie das am Beispiel der Schlagbohrmaschine gezeigt. Bei einer traditionellen Glühbirne beträgt der Wirkungsgrad bspw. weniger als 5%. Das bedeutet, die Nutzenergie (das Licht) macht nur ca. 1/20 der zugeführten Energie in Form von elektrischem Strom aus. Der Rest der elektrischen Energie wird zum grössten Teil in (hier unerwünschte)- energie umgewandelt. Um die in begrenztem Masse zur Verfügung stehenden Energie_ möglichst gut nutzen zu können ist neben dem Energiesparen der Einsatz von Geräten mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad anzustreben: Wirkungsgrad, Beispiele Maschine, Prozess Ausgangsenergie Nutzenergie Wirkungsgrad Kernkraftwerk 33 Solarzelle 5–27 (40) Wärmekraftwerk (Kohle) 25–50 Wasserkraftwerk 80–90 Windkraftanlage bis 50 Maschinen und Geräte Dampfmaschine 3–44 Verbrennungsmotor (PKW) 30–50 Dieselmotor bis zu 50 Elektromotor 20–99,5 Fahrraddynamo 20–65 Glühlampe (nicht Halogen-) 3–5 LED 5–25 Schaltnetzteil (für elektrische oder elektronische Geräte) 50–95 Triebwerk (zivile Luftfahrt) 40 Wärmeproduktion Elektroherd (Haushalt) 50–60 Gasheizung 80–90 Lagerfeuer (Kochstelle) 15 Offener Kamin 10–30 Sonnenkollektor 85 Natürliche Prozesse Photosynthese-Reaktion 35 Glühwürmchen (Leuchtreaktion) 95!! Mensch (Skelettmuskulatur) 20–30 Die Anschaffung von Geräten mit niedrigem Energieverbrauch (und entsprechend hohem Wirkungsgrad) ist leider meist teuer, zahlt sich aber über mehrere Jahre aus, wie am folgenden Beispiel ersichtlich: Modell Kaufpreis (Fr.) Stromkosten (Fr. in 15 J.) dimmbar Leistung (W) Licht(strom)stärke in Lumen (lm) Energieeffizienz (lm/W) entspricht Glühlampe mit . Watt Lebensdauer (h) Farbtemperatur (Kelvin) LED – Lampe LEDON 6W Globe 35 17 ja 5.5 Glühlampe 40W 1.80 120 ja 40 400 415 73 10 35 25000 1000 2800 2700 Quelle: topten.ch Die LED-Lampe verursacht also in 15 Jahren (Kaufpreis plus Strom) Kosten von ca.: sFr., die Glühbirne (Kaufpreis mal 15 (kurze Lebensdauer!!) plus Strom) von ca.: sFr. Physikalische Definition des Energiebegriffs Die umgewandelte elektrische Energie (engl. Arbeit) ist das Produkt der elektrischen Leistung (engl. Kraft, gemessen in Watt oder Kilowatt), mit der verstrichenen Zeit und wird in Wattsekunden oder auch Kilowattstunden gemessen. Beispiel: Ein Haartrockner nimmt 2000 Watt (2 kW) elektrische Leistung auf. Wird der Haartrockner eine halbe Stunde (0,5 h) lang betrieben, beträgt der Bedarf an elektrischer Energie 2 kW · 0,5 1 kWh (eine Kilowattstunde). 1kWh kostet heute zwischen 10 und 20 Rappen, je nach Region und Tageszeit. Schwankungen des elektrischen Energiebedarfs Der Bedarf an elektrischer Energie unterliegt sowohl tageszeitlichen als auch jahreszeitlichen Schwankungen. Tageszeitlich betrachtet ergeben sich Spitzen im Zeitraum zwischen 7 Uhr und 14 Uhr und in den Abendstunden. In den späten Nachtstunden erreicht der Bedarf ein Minimum. Im Winter stellt sich auf Grund der kürzeren Tageszeit (erhöhter Beleuchtungsaufwand) einerseits und den tieferen Temperaturen (Elektroheizung) andererseits ein höherer Bedarf an elektrischer Energie ein. Um kurzfristige Bedarfsschwankungen ausgleichen zu können, ist es nötig Spitzenlastkraftwerke, wie zum Beispiel Pumpspeicherkraftwerke zu betreiben. Solche Anlagen werden meist kurzfristig für wenige Stunden in Betrieb gesetzt, um den kurzzeitig hohen Energiebedarf zu befriedigen. Pumpbetrieb Dabei können Pumpturbinen innerhalb weniger Sekunden vom auf Turbinenbetrieb umgestellt werden. In Schaffhausen erfüllt bspw. der Engeweiher die Funktion eines Oberbeckens, in welches Wasser aus dem Rhein gepumpt werden kann. Energiebedarf von Geräten im Privathaushalt Ein Föhn mit 2000 Watt, der täglich 5 Minuten benutzt wird, benötigt im Jahr somit rund kWh elektrische Energie und verursacht bei einem Preis von 20 Rp./kWh circa Franken Kosten im Jahr. Der Flachbild-TV mit 150 Watt Leistungsaufnahme, der täglich aber 3 Stunden läuft, benötigt im Jahr etwa kWh elektrische Energie und verursacht circa Franken im Jahr an Kosten. Im Vergleich dazu ein Herd mit 4.000 Watt Leistungsaufnahme, der täglich eine halbe Stunde in Betrieb ist und so im Jahr schon kWh elektrische Energie benötigt, was Fr. im Jahr ausmacht. Kühlschränke und Gefriertruhen Das Kühlen und Gefrieren von Lebensmitteln verursacht rund 19 der Stromkosten. Beeinflusst wird der Stromverbrauch durch das Alter des Gerätes, die Kühltemperatur (nicht unter 5 C) sowie die Klassierung gemäss Energieetikette. Besonders sparsame Geräte (A) verbrauchen halb so viel Strom wie ein Gerät mit Energieetikette (niedriger Verbrauch). Kochen und Backen Der Elektroherd mit integriertem Backofen gehört ebenfalls zu den grossen Energieverbrauchern im Haushalt. Sein Anteil am Stromverbrauch beträgt etwa 10 %. Warmwasser Die Warmwassererzeugung im Elektroboiler benötigt in der Regel etwas weniger als die Hälfte des gesamten Stromverbrauchs im Privathaushalt. Geschirrspüler Geschirrspüler belasten den Strombedarf im Haushalt mit einem Anteil von etwa 4 %. Waschen und Trocknen Der Anteil am Strombezug beträgt beim Waschen und Trocknen über 11%. Die Sonne ist der ideale Wäschetrockner: Maschinelles Trocknen der Wäsche braucht mehr Strom als das Waschen. Beleuchtung Die Beleuchtung frisst in einem Durchschnittshaushalt beinahe einen Sechstel des gesamten Strombedarfs. Fernsehgeräte, Home Office Unterhaltungselektronik und Home-Office-Geräte beanspruchen einen Anteil von knapp 20 des Stromverbrauchs im Durchschnittshaushalt. Je kleiner die Bildschirmfläche desto geringer ist der Stromverbrauch. TFT- respektive LED-Fernseher sind stromsparender als Plasmafernseher. Heimliche Stromfresser: Geräte im Standby-Modus Gemäss Modellrechnungen verbrauchen Elektrogeräte im Leerlauf- oder Standby-Modus jährlich rund 400 kWh Strom pro Haushalt, der ohne grossen Nachteil eingespart werden könnte (z. B. TV, Video, Stereoanlage, PC, Drucker und andere Bürogeräte). Manche Geräte verbrauchen im Standby-Modus bis zu 70 Prozent der Strommenge, die sie im Normalbetrieb benötigen. Achtung: Auch wenn ein Gerät scheinbar abgeschaltet ist, kann es sein, dass das Netzgerät immer noch unter Strom steht. Tipp: Anstatt den Netzstecker zu ziehen, helfen Zeitschaltuhren und abschaltbare Steckdosenleisten weiter. Verschiedene Energieträger und ihre Bedeutung Mit 55% ist Erdöl nach wie vor der grösste Energieträger, gefolgt von Elektrizität mit knapp 24% und Erdgas mit rund 12%. Erneuerbare Energien wie Wind und Sonne liegen ebenfalls im Trend. Elektrizität Der Energieverbrauch in der Schweiz hat sich seit den 1950er Jahren mehr als vervierfacht. Der Verbrauch an Kohle dominierte in der ersten Hälfte des 20. Jh. und wurde durch eine massive Zunahme des Verbrauchs von Erdöl, Treibstoffen und abgelöst. Elektrizität wurde anfangs der 70er Jahre in der Schweiz noch zu ca. 90% aus Wasserkraft produziert. Heute sind es noch ungefähr 55%. 40% der Stromversorgung stammt aus Kernkraftwerken. 2000-WattGesellschaft Weltweit beträgt der permanente durchschnittliche Energieverbrauch rund 2000 Watt pro Kopf pro Person. Es besteht jedoch ein grosser Unterschied zwischen Entwicklungsländern (z.B. Äthiopien: 500 Watt) und Industrieländern (z.B. USA: 1000 Watt). Die Schweiz hat einen Leistungsbedarf von mehr als 6000 Watt pro Person. Eine Forschungsinitiative des ETH-Bereichs zeigt auf, dass die Schweiz mit einem Drittel der heutigen Energienutzung auskommen könnte, ohne dass Lebensqualität und Wohlstand sinken. Dabei sollen zudem die erneuerbaren Energien eine wichtigere Rolle spielen und konsequent energiesparende Systeme mit hohem Wirkungsgrad zum Einsatz kommen. Wird das Modell weiter ins Detail gerechnet, heißt dies: 48 Kilowattstunden pro Tag bzw. 17500 Kilowattstunden pro Jahr, was einem Verbrauch von rund 1700 Liter Heizöl oder Benzin pro Jahr und Person entspricht. PS und Joule In der Leistungsmessung verwendet man auch heute noch die (veraltete) Messeinheit Pferdestärke (PS ). Historisch gesehen wurde als Pferdestärke die durchschnittliche nutzbare Dauerleistung eines Arbeitspferdes verstanden, etwa beim Antrieb einer Mühle. Ein Pferd etwa beim Galopp oder beim Springreiten kann kurzfristig deutlich mehr, nämlich über 20 PS leisten, während es im Tagesdurchschnitt etwa 1 PS leistet. 1 PS ist in definiert als die Leistung, die erbracht werden muss, um einen Körper der Masse 75 kg entgegen dem Schwerkraftfeld der Erde (bei Erdbeschleunigung 9,80665 m/s) mit einer Geschwindigkeit von 1 m/s zu bewegen. Zum Vergleich wird die Dauerleistung des erwachsenen, durchschnittlich großen Menschen mit 0,14 PS (100 Watt) benannt, wobei auch hier bei entsprechendem Training durchaus über eine Stunde 440 Watt und 6 Sekunden lang 910 Watt (entspricht etwa 1,2 PS) möglich sind. Das Joule [dʒul] ist die abgeleitete SI-Einheit der Größen Energie, Arbeit und Wärmemenge. Die Einheit wird heute für alle Formen thermischer, mechanischer sowie elektrischer Energie verwendet. Ein Joule ist gleich der Energie, die benötigt wird, um bspw. über etwa um einen Körper mit der Masse 0,102 kg (das entspricht etwa einer Tafel Schokolade) um einen Meter anzuheben – oder für die Dauer einer Sekunde die Leistung von einem Watt (entspricht in etwa der Leistung des menschlichen Herzens) aufzubringen (1 Wattsekunde).