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Energie, Leistung, Energieeffizienz (Wirkungsgrad) und Suffizienz: Definitionen und Grundeinheiten
Energie
Energie ist eine physikalische Grösse, die mit der Fähigkeit eines Systems zusammenhängt, eine Arbeit zu leisten: die Bewegung eines Zugs zwischen zwei Städten, die Beleuchtung eines Sportstadiums für einen Fussballmatch, die Heizung eines Gebäudes während der kalten Jahreszeit, das Hochziehen eines Fahrstuhls vom Erdgeschoss bis zur zwölften Etage, die Verarbeitung einer Tonne Kalkgestein zu Zement etc. Deshalb sind auch fossile Brennstoffe (Kohle, Heizöl, Erdgas) und erneuerbare Brennstoffe (Biogas und Holz) "konservierte" Energie, welche nach Bedarf genutzt werden kann, um eine Arbeit zu leisten. Wasserkraft, Sonnenenergie, Wind oder Umgebungswärme sind erneuerbare Energiequellen, die man "Energieflüsse" nennt, da sie nicht in gespeicherter Form vorliegen, sondern im Moment, in welchem sie auftreten, genutzt werden können, um eine Arbeit zu erledigen.
Diese drei Brennstoffe für Heizungen können die gleiche Menge Energie von 10 kWh liefern: 1 m3 Erdgas (bei Standarddruck und -temperatur), ein Liter Heizöl und 2 kg Holzpellets.
Brennstoffe wie auch erneuerbare Energien können in eine andere Energieform umgewandelt werden. In einem Wärmekraftwerk wird zum Beispiel Kohle (oder Erdgas oder Erdöl) verbrannt, um Dampf zu produzieren, mit welchem eine Turbine mit Generator betrieben wird, die Elektrizität erzeugt. Dieser Prozess läuft nicht ohne Verluste ab. Aber die Energie verschwindet nicht einfach: Sie wird umgewandelt, und ein Teil dieser Umwandlung ist nicht mehr rückgängig zu machen. Dasselbe passiert mit einem Fahrrad-Dynamo: Er kann nicht soviel elektrische Energie liefern, wie in das Treten in die Pedale investiert wurde, um ihn zu betreiben: ein Teil der Energie des Fahrradfahrers ist in der Wärme (durch Reibung) "verloren" gegangen.
Diese kleine Wasserturbine von 10 kW wird durch ein 80 m weiter oben gelegenes Wasserreservoir mit einem Durchfluss von 20 Liter pro Sekunde angetrieben. Unter diesen Bedingungen erzeugt sie jede Stunde 10 kWh elektrischen Strom.
Die offizielle Grundeinheit für Energie ist das Joule [J], das die Energiemenge darstellt, die zum Beispiel eine Nachttischlampe von 1 Watt [W] während einer Sekunde benötigt. Um die Energie mengenmässig zu bestimmen, wird meistens die Bezeichnung Wattstunde [W.h oder Wh] verwendet – in unserem Beispiel also die Energiemenge, die von der angezündeten Nachttischlampe während einer Stunde (3600 Sekunden) verbraucht wird. Deshalb entspricht eine Wattstunde 3600 Joules.
Für grössere Energiemengen verwendet man die Bezeichnung Kilowattstunde [kWh] = 1000 Wattstunden, Megawattstunde [MWh] = eine Million Wattstunden, Gigawattstunde [GWh] = eine Milliarde Wattstunden, oder Terawattstunde [TWh] = 1000Milliarden (1 Billion) Wattstunden.
Leistung
Die offizielle Einheit der Leistung ist das Watt [W]. Ein Watt entspricht dem Energieumsatz von einem Joule pro Sekunde (1 Joule/Sekunde oder 1 J/s).
Um eine Leistung zu beschreiben, verwendet man auch die Bezeichnungen Kilowatt [kW]= 1000 Watt, Megawatt [MW]= eine Million Watt oder Gigawatt [GW]= eine Milliarde Watt.
Diese Solarinstallation mit Photovoltaikmodulen auf einer Fläche von 50 m2 (Zellen mit einem Wirkungsgrad von 20%) liefert eine Spitzenleistung von 10 kW. Das bedeutet, dass sie, wenn der Himmel nicht bewölkt ist und die Sonne senkrecht über ihr steht, in einer Stunde eine elektrische Energiemenge von 10 kWh erzeugt.
Um den Zusammenhang zwischen "Leistung" und "Energie" zu erklären, kann man sich einen Hahn vorstellen, der jede Sekunde einen kleinen Tropfen Erdöl fallen lässt – jeder Tropfen entspricht der Energieeinheit von 1 Joule. Der Hahn besitzt demnach eine Leistung von 1 Watt (1 Joule pro Sekunde). Nach einer Stunde sind in diesem Rhythmus 3600 Tropfen (3600 Joule) ins Becken gefallen. Diese Menge stellt die Energie dar: ein Watt während einer Stunde oder anders gesagt eine Wattstunde [W.h oder Wh].
Energie (Wh) = Leistung (in Watt) x Zeit (in Stunden)
Der Begriff "Leistung" wird in verschiedenen Situationen benutzt. Er bezeichnet einerseits die Fähigkeit, eine Arbeit in einer gewissen Zeitspanne zu erledigen. Hier ein Beispiel: Vermag ein Kran eine Tonne Dachziegel in 10 Sekunden auf ein Dach hochzuziehen, so besitzt er die doppelte Leistung eines Krans, der dafür 20 Sekunden benötigt.
"Leistung" wird aber auch verwendet, um den Energieverbrauch eines Systems zu beschreiben: Eine Glühbirne von 10 Watt verbraucht jede Sekunde 10 Joule elektrischen Strom; eine elektrische Heizung von 2000 Watt verbraucht 200-mal mehr Elektrizität.
Ein Staubsauger mit 1000 Watt verbraucht pro Stunde, die er eingeschaltet ist, 1 kWh Strom (1000 W x 1 Stunde = 1 kWh).
Ein Staubsauger mit 2000 Watt verbraucht pro Stunde, die er eingeschaltet ist, 2 kWh Strom (2000 W x 1 Stunde = 2 kWh). In einer halben Stunde verbraucht er demnach 1 kWh.
Und schliesslich wird der Begriff "Leistung" auch benutzt, um die Energieerzeugung eines Systems zu kennzeichnen. So erzeugt eine auf dem Dach eines kleinen Gebäudes montierte Solarinstallation von 3 Kilowatt Peak bei schönem Wetter, wenn die Sonne gut ausgerichtet über ihr steht, ungefähr 3000 Watt elektrischen Strom. Eine kleine 1 kW-Windturbine von 3 Meter Durchmesser erzeugt bei gleichmässigem Windstrom von etwa 40 km/h 1000 Watt Strom. Und ein Staudamm mit einem Wasserkraftwerk von 2000 MW (zum Beispiel der Kraftwerkkomplex Grande Dixence) kann unter den besten Bedingungen eine elektrische Leistung von 2000 Megawatt erreichen – damit können 200 Millionen Glühlampen à 10 W angezündet werden.
Pro Jahr erzeugte Energiemenge oder durchschnittliche Jahresleistung
Wenn man von Elektrizitätswerken spricht werden die Begriffe durchschnittliche Jahresleistung und jährlich produzierte Gesamtenergiemenge oft gleichbedeutend genannt. Man beachte deshalb: Ein Kraftwerk, das jährlich 1 GWh (Energie) produziert, besitzt eine durchschnittliche Leistung von 114 kW (= 1 Milliarde Wattstunden / 8766 Stunden).
Dieses kleine Windkraftrad mit 8 Meter Durchmesser besitzt eine elektrische Leistung von 10 kWh, wenn sie in einem gleichmässigen Windstrom von 10 Meter pro Sekunde (36 km/h) angetrieben wird. Unter diesen idealen Bedingungen erzeugt diese Windturbine eine elektrische Energiemenge von 10 kWh pro Betriebsstunde.
Energieeffizienz (Wirkungsgrad)
Die Begriffe "Energieeffizienz" und "Wirkungsgrad" haben in der Physik verschiedene Bedeutungen, aber wenn man von Energieeinsparungen spricht, kann man sie synonym verwenden. Die Energieeffizienz (oder der Wirkungsgrad) ermöglicht es, den Energieverbrauch eines Systems im Verhältnis zur erbrachten Leistung zu beschreiben. Das ist die Hauptinformation der Energieetikette, mit welcher Lampen, Haushaltsgeräte oder auch ganze Gebäude (je nach ihrem Heizbedarf) miteinander verglichen werden können.
Zum besseren Verständnis hier ein Beispiel: Ein Geschirrspüler der Klasse A+++ auf der Energieetikette verbraucht – für dieselbe Arbeit – 30% weniger Strom als ein Modell der Klasse A+. Er ist also viel effizienter.
Aber Effizienz ist nicht alles; das kann man zum Beispiel an den TV-Geräten leicht zeigen. Ein Fernseher mit einer grossen Bildschirmdiagonale von 139 cm der Klasse A++ scheint viel sparsamer zu sein als ein kleiner Fernseher mit 80 cm Bildschirmdiagonale der Klasse A+. Tatsächlich verbraucht der grosse Fernseher aber doppelt so viel Strom wie der kleine, und der Grund, warum er auf der Energieetikette besser abschneidet, besteht unter anderem darin, dass diese das Verhältnis der Bildschirmfläche zum Stromverbrauch berücksichtigt.
Suffizienz (oder Genügsamkeit, Zurückhaltung)
Eine grössere Energieeffizienz – soviel steht fest – ist unverzichtbar, wenn man einen nachhaltigen Lebensstil annehmen und die Klimaveränderungen bremsen möchte: ein progressiver Ausstieg aus der Atomenergie und den fossilen Energien (Kohle, Erdöl und Erdgas), eine bessere Nutzung der erneuerbaren Energien (Wasserkraft, Sonnenenergie, Umgebungswärme, Holz, Biomasse, Wind...). Diese Energiewende wird aber nur möglich sein, wenn sich parallel dazu eine entsprechende Geisteshaltung entwickelt: die Suffizienz, das bedeutet ein massvoller Konsum durch die freiwillige Einschränkung des Verbrauchs auf ein notwendiges Mass verbunden mit einer hohen Lebensqualität. Am Beispiel der vorhin genannten Fernsehgeräte ist damit gemeint, dass eher die 80 cm-Bildschirmdiagonale und nicht diejenige von 139 cm gewählt werden sollte, und zwar nicht nur, weil der kleinere Fernseher weniger Energie im Betrieb verbraucht, sondern auch deshalb, weil für seine Herstellung dreimal weniger Material und Energie verwendet worden sind.
Ein weiteres Beispiel. Man kann mit einem technologischen Ansatz, der den Einsatz von technischen Anlagen sowie elektrischem Strom beinhaltet, ein Gebäude bauen, das vollständig aus Glas besteht: mit doppelverglasten Fenstern (die den Witterungsbedingungen und den Sonneneinstrahlung stark ausgesetzt sind); mit automatischen Aussenstoren, um die Beschattung sicherzustellen; mit automatischer Luftzirkulation zwischen den Glasscheiben; mit Kühlung im Sommer durch Installationen, welche die Kälte des Untergrunds nutzen (Geocooling). Oder man kann eine moderate Haltung einnehmen und eine Gebäudearchitektur bevorzugen, bei welcher die technischen Dispositive begrenzt sind: die Fensterflächen sind der Besonnung angepasst; im Sommer beschattet das Vordach die Fenster; der Bau von massiven Mauern und Bodenplatten hilft Temperaturschwankungen aufzufangen; die Hausbewohner sind gut informiert, wie im Fall von Hitzetagen vorzugehen ist – die Fenster nachts öffnen, um die im Gebäudeinnern aufgestaute Hitze entweichen zu lassen, und die Fenster sowie Fensterläden tagsüber geschlossen halten, um die Kühle im Hausinnern zu bewahren.
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