Energie – eine fundamentale Größe

Dieser Tage gibt es keine Tageszeitung und keinen Social Media Feed, der nicht mindestens einmal das Wort Energie beinhaltet. Was ist Energie? Was eine Energiewende? Welchen Beitrag kann ich dazu leisten? Ist Energie eine Ressource die wir gemeinsam hegen und pflegen können?

Dies ist der Auftakt einer mehrteiligen Blog-Serie, die sich gerne je nach Rückmeldungen und Anfragen zum Thema erweitern lässt. In diesem Ersten wollen wir uns mit den relevantesten Themen rund um „Energie“ auseinandersetzen und Schlagworte bzw. Begrifflichkeiten in Kontext setzen.

Energie

Energie ist die Fähigkeit, mechanische Arbeit zu verrichten, Wärme abzugeben oder (Licht) auszustrahlen. Energie ist also eine Kraft, die etwas bewirken kann. Energie ist eine fundamentale physikalische Größe, die in allen Teilgebieten von Physik, Technik, Chemie, Biologie und Wirtschaft eine zentrale Rolle spielt. Ihre wohl in unserem Alltag bekannteste Einheit ist Watt (SI-Einheit: Joule) bzw. für unsere Energierechnungen relevant sind dann die verrichtete Arbeit (meist in kWh angegeben).

Einsteins zufällig entdecktes Naturgesetz

Eine der wohl bekanntesten physikalischen Formeln überhaupt besagt, dass Masse und Energie ineinander umgewandelt werden können. Die Masse von Kohle oder Gas ist also in einer direkten Abhängigkeit von der darin gespeicherten Energie, die wir Menschen uns gerne nutzbar machen. Es gibt also einen unmittelbaren Zusammenhang zwischen Masse (also Gewicht), Lichtgeschwindigkeit (ca. 3*10^8 m/s) und Energie (Joule): E = m x c2.

Aber Einsteins Relativitätstheorie wollen wir hier nun nicht näher erklären. Die Veränderung der Masse von Kohle ist bei Verbrennung auf der Erde fast nicht messbar. Um ein vielfaches relevanter sind dafür folgende physikalische Größen. Wer diese verstanden hat, kann vermutlich auch seine Energierechnung besser nachvollziehen bzw. mal mit dem Nachbarn vergleichen.

(1) Leistung, Energie & €€€

Auf Geräten oder in der Zulassung des eignen Fahrzeuges findet man oft eine Angabe in Watt. Es gibt die Leistung des jeweiligen Gerätes an, dass es in jedem Moment erbringen kann. Mit dieser Leistung kann das Fahrzeug bewegt werden oder Licht/Wärme erzeugt werden. Der Stromzähler oder die Energierechnung betrachtet diesen Wert über einen gewissen Zeitraum und macht Angaben meist in kWh (Kilowattstunden).

Hier ein paar einfache Beispiele, um Leistung und Energiepreis in Kontext zu setzen. In allen Berechnungen gehen wir von einem aktuell durchschnittlichen Strompreis von ca. 37c/kWh aus.

  • Hat eine Lampe also 5 Watt Leistung, verwandelt es in jedem Moment mit einer Leistung von 5 Watt Strom in Licht. Lasse ich diese Glühbirne täglich ca. 3 Stunden eingeschaltet, verbraucht sie an einem Tag etwa 15 Wattstunden (Wh). Passiert dies im Urlaub nicht, dafür sonst aber jeden Tag, leuchtet sie ca. 330 Tage im Jahr und verbraucht 990Wh bzw. 0,99 kWh (1kWh = 1000Wh). Kosten von 0,37€/Jahr entstehen.
  • Lade ich mein entladenes MacBookPro mit dem USB-C MagSafe3-Kabel 140W braucht es laut Hersteller rund 30 Minuten um 50% Ladung zu erreichen, etwa 1h 15min bis es voll geladen ist. Mache ich dies durchschnittlich zwei Mal pro Werktag im Jahr 2022 (249d), verursacht dies 32,25/Jahr an Kosten, bei theoretischer voller Leistung. Lasse ich das Ladegerät ohne Laptop permanent in der Steckdose liegen, so braucht es trotzdem 0,03 Watt. Das wären im Jahr (365d) 0,09/Jahr ohne einen Laptop aufgeladen zu haben. Steht daneben ein 22″ Monitor im permanenten Standby, sind es um ca. 0,5 Watt oder 1,62/Jahr ohne Verwendung. Nutze ich einen durchschnittlichen Monitor mit etwa 35 Watt 8h/Werktag komme ich auf 25,80/Jahr.
  • WiFi-Router am europäischen Markt verbrauchen laut EPREL 5-20 Watt. Bei einem Mittelwert von 10 Watt und Dauerbetrieb des Routers schlägt sich dieser mit etwa €32,41/Jahr zu Buche.
  • Ein Föhn mit rund 2000W, den ich 330 Tage im Jahr für rund 15 Minuten verwende, verursacht bereits 61/Jahr.

Die Dauer der Nutzung sowie die Art & Anzahl der Geräte beeinflusst also messbar unsere Energierechnung. Geräte richtig und mit der wirklich notwendigen Leistung einzusetzen hilft beim Geldsparen. Denn 9c/Jahr für das eine Ladegerät erscheint wenig, kann aber über alle Ladegeräte und sonstige „Standby-Geräte“ (z.B.: Smart-TV Geräte verbrauchen im Standby das 10-fache) eine relevante Summe für ein Büro oder Haushalt werden.

(2) Endenergie x η = Nutzenergie

Wir zahlen auf unserer Energierechnung für Endenergie und erleben bei der Verwendung von z.B. Licht, Smartphone usw. nur die Nutzenergie umgewandelt in eine Energiedienstleistung. Wird der Handyakku schon beim Laden heiß, ist das ein spürbarer und kaum verhinderbare Abgabe von Energie in unsere Umwelt, für die wir am Ende auf der Energierechnung zahlen müssen. Diese Abwärme könnte als Sekundärenergie wieder teilweise nutzbar gemacht werden, zu oft ist dies aber einfach nicht sinnvoll möglich.

Wie effektiv ein Gerät die Endenergie nutzen kann, wird durch den Wirkungsgrad η dargestellt. Es ist das Verhältnis von erzeugter Energie (Leistungsabgabe) zu eingesetzter Energie (Leistungsaufnahme). Wäre η=1 würden wir 100% der Endenergie nutzen. Ein Dieselmotor verwandelt chemische Energie in mechanische Energie und hat im besten Fall einen Wirkungsgrad von η=0,55, eine Turbine im Wasserkraftwerk schafft bis zu η=0,9, eine klassische alte Glühbirne bloß η=0,05, LED-Lampen schaffen hier bereits η=0,4 oder mehr. Je höher dieser Wert, desto besser.

(3) Der Energieerhaltungssatz & die Energieumwandlungskette

Energie kann in einem geschlossenem System weder erzeugt noch vernichtet werden, sondern nur von einer Form in eine andere Form umgewandelt werden. Umgangssprachlich bedeutet dies, dass ein „Verlust“ von Energie gar nicht möglich ist. Wir können Energie also immer nur umwandeln. Relevant ist daher, welche der umgewandelten Energie wir für uns nutzen können.

Damit ich mit meinem Auto fahren kann, muss Primärenergie (z.B. Erdöl, Raps…) in Endenergie (z.B. Diesel, Strom…) umgewandelt werden, damit das Auto daraus Nutzenergie (Antriebsenergie, Klimaanlage, Navi…) macht und wir unsere Energiedienstleistungen (bequem von A nach B, kühle Raumluft…) genießen können. Bei jedem dieser Schritte gibt es dank des Energieerhaltungssatzes immer einen „Verlust“. Denn die verfügbare Primärenergie kann nicht zu 100% in Nutzenergie umgewandelt werden. Sekundärenergie (z.B. Abwärme, Abgase…) wird im Umwandlungsprozess ebenfalls erzeugt und kann oft nicht sinnvoll genutzt werden. Im Sinne der gesuchten Energiedienstleistungen ist diese Sekundärenergie ein Verlust.

Mit unserem Konsumverhalten oder auch Mobilitätsverhalten können wir also unseren Energiekonsum maßgeblich beeinflussen, die Auswirkungen auf unsere persönliche Energierechnung sind vielleicht im Moment geringer. Die Auswirkungen auf unsere Enkelkinder dafür umso größer. Der Konsum von erneuerbaren Energiequellen als Primärenergiequelle hilft den Enkelkindern, da diese in relativ kurzer Zeit „nachwachsen“ und ihre bei der Umwandlung ausgestoßene CO2-Äquivalente dadurch rasch wieder binden können. Ganz nebenbei tragen diese auch zur geopolitischen Unabhängigkeit bei, da es den Energieimport reduzieren kann.

(4) Der Entropiesatz (2. Hauptsatz der Thermodynamik)

Bei Vorgängen in Natur und Technik entsteht Wärmeenergie – auch im menschlichen Körper durch Stoffwechsel. Wärme geht immer von einem Körper höherer Temperatur auf einen Körper niederer Temperatur über. Desto größer dieser Unterschied ist, desto rascher kommt dies in Bewegung.

Insbesondere im Winter spüren wir dieses Naturgesetz ganz besonders. Manch eine:r leidet wohl sogar darunter. Jeder von uns ist im Winter schon mal in einem Raum gesessen und hat das Gefühl, dass es permanent „zieht“, obwohl die Fenster zu sind. Dieser Zug entsteht durch Luftbewegung, die insbesondere durch grobe Temperaturunterschiede zwischen Fenster/Mauerwerk und Raumtemperatur entsteht. Es kommt zu einer Luftbewegung von der beheizten warmen Raumluft hin zu den kälteren Flächen im Raum. Der wärmste Körper im Raum ist im Regelfall der Mensch selbst – dieser verursacht daher ebenfalls, dass es „zieht“.

Thermische Behaglichkeit

Wer schon mal abendlich beim Lagerfeuer saß, kennt dieses Phänomen: Man möchte sich am liebsten noch einen Meter zurücksetzen, da es im Gesicht schon zu heiß ist, spürt jedoch im Rücken wie kalt die Nachtluft ist und holt sich doch noch eine Decke. Anderes Beispiel: Gibt es Luftbewegungen die einen kühlenden Effekt haben, hilft auch der dickste Wollpullover nicht mehr – der Wind bläst einfach die kühle Luft durch die grobmaschige Wolle hindurch. Bei Wanderungen oder Skitouren greifen wir daher lieber zur winddichten Jacke um uns wohler zu fühlen und nicht auszukühlen.

Dieser Effekt wird leider viel zu oft durch falsches Heizen und Lüften künstlich erzeugt. Ähnlich ist es auch bei Gebäuden. Die winddichte Jacke heißt hier Dämmung, die kühle Nachtluft ungeheizter & ungedämmter Keller oder Dachstuhl.

Behaglichkeit ist ein Grad des Wohlbefindens und kann sich daher auch immer wieder leicht ändern. Je nach Gemüts-, Gesundheits- und Bewegungssituation brauche ich eine andere Raumtemperatur um mich wohl zu fühlen. Faktoren wie Luftbewegung oder Luftfeuchtigkeit spielen hier ebenfalls eine wichtige Rolle. Da wir u.a. pro kWh unsere Energierechnung präsentiert bekommen, kann das Streben nach Behaglichkeit in einem schlecht sanierten Gebäude leider zu besonders hohen Energierechnungen führen, da wir in einem Wechselspiel zwischen angenehmer Raumwärme und gekippten Fenstern oder Wärmebrücken den Regler am Raumthermostat immer weiter nach oben bewegen. Wärmebrücken entstehen, wenn ein geheizter mit einem ungeheizten Bauteil (z.B. Wohnzimmerboden und Kellerdecke) direkt in Verbindung tritt und dazwischen nicht (ausreichend) gedämmt ist. Bei besonders hohen Unterschieden, kann es dabei zur Tröpfchenbildung aus der Luftfeuchtigkeit kommen – langfristig sind dann Schimmel und eine hohe Energierechnung das Problem.

Der Entropiesatz ist hierbei sicherlich nicht das einzige Naturgesetz, dass solch ein Verhalten unterstützt. Aber sich zu überlegen wo es zu Wärmebrücken im eigenen Haus kommt und welche Maßnahmen dem entgegenwirken, können die Energierechnung signifikant senken. Heizen macht im Regelfall den Großteil der Energierechnung eines Haushalts aus.

Aufbauend auf diesen Grundbegriffen folgen noch weitere Artikel der Serie:

Fällt es dir oft schwer nachzuvollziehen wie es zu deiner Stromrechnung kommt? Möchtest du andere Begriffe rund um deine Energieversorgung besser verstehen? Schreibe uns doch ein Kommentar weiter unten oder schreibe eine Mail an gemeinschaffen@realitylab.at

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