Grundinformationen zum Thema Energie und Klimaschutz - Teil 2

1. Grundinformationen zum Thema Energie und Klimaschutz - Teil 2 W. Kirchensteiner, Bildungszentrum für Solartechnik der LH München

2. Energie – Was ist das? • Energieeinheiten: • Die Energie „W“ von „Work“ wird gemessen in "Ws", „Wh", „kWh" u. "MWh„!Wir sprechen von Wattsekunden, Wattstunden, Kilowatt- oder Megawattstunden!Diese Einheiten werden heute für alle Energiearten vor allem für die elektrische Energie verwendet! • Die mechanische Energie„W“ wird häufig angegeben in "Nm" o. "kNm" Wir sprechen von Newtonmeter oder Kilo-Newtonmeter! • Die thermische Energie „Q“ = „W“ wird in "J", "kJ" und „MJ gemessen veraltet: 1 kcal = 4,19 kJ; Wir sprechen hier von Joule, Kilojoule und Megajoule! • Allgemein gilt die Umrechnung: 1 Ws = 1 Nm = 1 J • Vergleiche: 1 MWh = 103 kWh; 1 kWh = 3,6 x 106 Ws; • Weitere Energieeinheiten sind SKE (Steinkohleeinheiten) oder ÖE (Öleinheiten) • 1 kg SKE = 8,14 kWh; 1 kg ÖE = 11,6 kWh

3. Energie und Leistung!Achtung - Verwechslungsgefahr Energie = Leistung x Zeit  W = P x t • Statt Energie wird manchmal auch der Begriff „Arbeit“ verwendet! • Leistung ist ein Momentanwert, der sich ständig ändern kann! • Energie vergrößert sich als aufsummierte Größe stetig mit der Zeit! Beispiel: Die Leistung eines Autos vergrößern oder verringern wir ständig mit dem Gaspedal!Beim Betanken eines Autos füllen wir den Tank mit Energie. Die Tankanzeige in Liter an der Zapfsäule steigt mit demFüllstand im Autotank! Im Tank befindet sich jetzt Arbeitsvermögen = Energie!  1 Liter ≈ 10 kWh! Leistung = Energie / Zeit  P = W / t

4. Energie erzeugen mit dem Energierad - 1 • Menschen, Tiere und Pflanzen erhalten ihre gesamte „Betriebsenergie“ oder „Lebensenergie“ aus der Sonne!In unseren Nahrungsmitteln steckt diese Sonnenenergie! • 100 g Vollmilchschokolade = 2400 kJ; 1 Liter Weiß-Bier = 2000 kJ • Ein Teil der Energie aus unserer Nahrung wird über die Muskelarbeit wieder abgegeben. • Mit dem Energierad können wir diese Muskel-energie in elektrische Energie umwandeln! • Mit dem elektrischen Strom betreiben wir eineMusikanlage, div. Lampen und einen Wasser-kocher, usw.! • In einem Versuch soll eine Tasse mit Wasser (300 ml) in 5 Minuten um 5 K erwärmt werden! • Wir berechnen nun, wieviel Schokolade der Radler zum Energieausgleich erhält!

5. Energieversuch mit dem Energierad - 2 • Die Instrumente am Energierad zeigen eine Spannung von 10 Volt und einen Strom von 10 Ampere an! • Daraus berechnen wir eine Leistung:P = U x I P = 10 V x 10 A P = 100 WattDer Radler erbringt diese Leistung über 5 Minuten = 300 Sek.und liefert damit eine Menge an Energie! • Wir berechnen nun diese Energiemenge mit der das Wassers aufgeheizt wird: W = P x t W = 100 W x 300 s W = 30.000 Ws = 30 kWsEs gilt: 1 Ws = 1 J = 1 Nm • Der „Energie-Radler“ hat damit eine Energie von 30 kWs = 30 kJ geliefert! • Zum Energieausgleich erhält er nun Schokolade oder Bier: • Wir rechnen: 30 kJ/2400 kJ x 100 g 1 g Schokolade • bei Bier: 30 kJ/2000 kJ x 1 l 1,5 cl Bier

6. Ergebnisse des Energieversuches 1: • „Energie ist die Antriebskraft aller Veränderungen“! • Energie kann man messen z. B. in Kilowattstunden „kWh“. Diese kostet bei Strom z. Z. ca. 21 Cent! • Energie erhalten wir aus der „Verbrennung“ von Kohle, Gas, Erdöl oder aus Kernbrennstäben! • Energie liefert uns auch die Sonne über die Wasserkraft, die Windkraft, die Photovoltaik, die Solarthermie und über die Biomasse! • Energie steckt in der Wärme, in der Bewegung, im Strom, in der Chemie, in Treibstoffen, usw. • Mit Muskelkraft können wir auf dem Energierad den Strom für Musikgeräte, für verschiedene Lampen oder für einen Wasserkocher erzeugen! • Um auf dem Energierad mit Muskelkraft eine kWh zu erzeugen, muss man 20 Stunden oder drei harte Arbeitstage lang treten – der Tageslohn bei unseren Energiepreisen beträgt dafür „7 Cent“!

7. Ergebnisse des Energieversuches 2: • Ein Auto braucht für 1 km Fahrstrecke 1 kWh Energie! • Mit dem Fahrrad braucht man für 1 km ca. 3 Minuten! • Radfahren statt Autofahren spart energetisch betrachtetpro Kilometer fast drei Tage Energiearbeit ein! Mit einer Kilowattstunde „kWh“ kann man: • eine 100 Watt-Glühlampe 10 Stunden leuchten lassen! • eine Stereo-Anlage 20 Stunden lang betreiben! • eine 100-Tonnen- Lokomotive 3,6 Meter anheben! • eine Badewanne mit 150 Liter Wasser um 6 Grad erwärmen! • eine 100-m²-Wohnung im Winter ca. 6 Minuten beheizen! • eine PC-Anlage 10 Stunden betreiben! • mit einem „Airbus 320“ ca. 10 Meter weit fliegen!

8. Primärenergie = Ausgangsenergie z. B.: Kohle, Erdöl, Erdgas, oder Uranerz für Kernbrennstäbe Wandlungsverluste ca. 65 % durch Transport, Dampfkessel, Turbine, Generator,…… Sekundärenergie = Produktenergie z. B.: elektrische Energie im Kohle- kraftwerk als 3~Hochspannung! Wandlungsverluste ca. 5 % durch Transformatoren, Leitererwärmung, Ableitverluste,….. Endenergie = Lieferenergie zum Endkunden; z. B. als Drehstrom mit 230 / 400 Volt, 50 Hertz Wandlungsverluste ca. 1 – 95% durch Transport, Verlustwärme, phys. und chem. Prozesse, ……. Nutzenergie = Unterstützung für Lebens- und Komfortbedarf! z. B. als Licht, Wärme, Bewegung, Musik,….. Energiewandlung von der Primärenergie zur Nutzenergie

9. Fusionsreaktor Sonne liefert Strahlungsenergie Fossile Energieträger Kohle – Erdöl und Erdgas entstehen Verbrennung fossiler Energieträger liefert Wärme Kraftwerk mit Dampfturbine liefert mechanische Energie Generator Elektr. Energie Solargenerator Der Wandlungsweg fossiler und erneuerbarer Energien 300 Mio Jahre sofort

10. Woher kommt die Energie der Sonne? • Mit optischen Messverfahren wird die Oberflächentemperatur der Sonne auf 5780 Kelvin bestimmt! • Nach dem Planck`schen Strahlungsgesetz kann man daraus die Strahlungsleistung der Sonne ermitteln nach der Formel: Dabei ist TSO die Temperatur der Sonnenoberfläche, ASO die Sonnenoberfläche von 6,07 x 1018 m² und „k“ () die Stefan-Boltzmann-Konstante von 5,67 x 10-8 W m² K-4 • Dies ergibt die gigantische Strahlungsleistung der Sonne von: • Aus der Atomphysik wissen wir, dass auf der Sonne ständig große Mengen an Wasserstoff zu Helium umgewandelt werden, weil Wasserstoffatom-kerne zu Helium verschmelzen = Kernfusion! Die Gesamtmasse der beteiligten Atome wird dabei weniger und es entsteht eine riesige Energiemenge, die in das All abgestrahlt wird! P = TSO4 x ASO x k 3,85 x 1026 W

11. Woher kommt die Energie der Sonne? • Nach der Massenäquivalentformel von Albert Einstein kann man die in Energie umgewandelte Masse bei dieser Kernfusion berechnen:m = Massenverlust der Sonne in kg; c = Lichtgeschwindigkeit = 3 x 108 m/s; • Wenn man den Massenverlust der Sonne pro Sekunde berechnet ergibt sich folgende Rechnung: m = 3,85 x 1026 Ws / (3 x 108 m/s)² = 4,28 x 109 kg/s = 4,28 x 106 t/s(= das Gewicht von 50.000 großen Lokomotiven pro Sekunde!) • Trotz dieses riesigen Gewichtsverlustes pro Sekunde könnte die Sonne diesen Prozess noch viele Milliarden Jahre durchhalten, weil die Gesamtmasse der Sonne ca. 2 x 1030 kg beträgt! E = m x c²  m = E/c²

12. 103 W/m² 342 W/m² 89 W/m² 150 W/m² 150 W/m² 300 W/m² 239 W/m² Sonnenstrahlung im Treibhaus Erde • Die Sonne strahlt eine Leistung von 3,85 x 1026Watt kugelförmig in den Weltraum ab! Damit trifft auf einen m² einer Kugelschalemit dem Radius Sonne – Erde (ca. 150 Mio. km) eine Leistung von 1370 W auf! • Über ein Jahr gemessen ist die Durchschnitts-leistung der Sonneneinstrahlung 342 W/m². • Durch Absorption in der Erdatmosphäre kom-men davon maximal 1000 W/m² bei wolken-losem Himmel auf der Erdoberfläche an! Die durchschnittliche Einstrahlungsleistungist z. Z. 239 W/m²! • Durch Reflexion an der Lufthülle, den Wolkenund der Erdoberfläche gehen 103 W/m² direkteSonnenstrahlung in das All zurück!

13. Sonnenstrahlung im Treibhaus Erde • Die von der Erdoberfläche zunächst absorbierte Leistung von 239 W/m² wird in Infrarotstrahlung umgewandelt und zusammen mit gespeicherter Wärmeenergie der Erde von 150 W/m² als Gesamt-IR-Strahlung der Erde von 389 W/m² abgestrahlt. • Von dieser IR-Strahlungsleistung der Erde werden heute ca. 300 W/m² von den Treibhausgasen der Atmosphäre um die Erde aufgenommen – nur noch 89 W/m² werden in das All durchgelassen! • Die Treibhausgase strahlen die Hälfte der absorbierten Leistung, also ca. 150 W/m² wieder zur Erdoberfläche zurück! • Damit hat sich auf der Erde heute eine Durchschnittstemperaturvon 15°C eingestellt, die bei weiterer Zunahme von Treibhaus-gasen in diesem Jahrhundert um bis zu 6°C steigen könnte! • Besonders die von Menschen verursachten Treibhausgase CO2,Methan, Stickoxide und Wasserdampf sind für die Einlagerung von immer mehr Energie in der Atmosphäre verantwortlich! • Deshalb müssen diese Prozesse von den Menschen massivkorrigiert werden, um die Erde für Menschen, Tiere und Pflanzen bewohnbar zu erhalten!