Hintergrundinformation

Energie und ihre Einheiten

Energie spielt eine wichtige Rolle bei vielen Diskussionen - etwa über den Klimawandel, die Nutzung der Atomenergie oder der Einsatz erneuerbarer Energiequellen. Immer wieder werden dabei die verschiedensten Einheiten verwendet, die die Autoren scheinbar selbst nicht verstehen, wie immer wieder offensichtlich falsche Angaben zeigen. Damit Sie nachvollziehen können, worüber geredet wird und Zahlenangaben selber nachrechnen können, hier eine kleine Einführung und ein Überblick über die wichtigsten Grundlagen.

Erneuerbare Energie
Erneuerbare Energie: Windkraftwerke nutzen die kinetische Energie des Windes, die letztlich auf die
elektromagnetische Strahlung der Sonne zurückgeht. Mehr dazu im Text. Foto: Christian Wagner, Aus Wikipedia, >>
windenergy.jpg (abgerufen 22.4.2010), Lizenz: >> cc 2.5

Eine kurze Einführung in Energie
(Wer gleich zu den Einheiten will, findet diese >> hier)

Was Energie genau ist, verstehen wahrscheinlich nur wenige Menschen genau: Erfunden wurde dieser Begriff von Physikern als abstrakte Größe, um Vorgänge zu erklären, etwa die Umwandlung von Lage- in Bewegungsenergie bei der Bewegung eines Pendels. In der modernen theoretischen Physik ist Energie die Erhaltungsgröße, die aus der Invarianz der Zeit folgt. Theoretisch nicht so umfassend, aber anschaulicher und für den praktischen Umgang ausreichend, ist die Definition von Energie als Fähigkeit, eine Arbeit zu leisten. Energie kommt in verschiedenen Formen vor (und letztlich ist auch Materie nur eine Form von Energie; die Umwandelbarkeit wird in Albert Einsteins berühmter Formel E = mc² beschrieben [>> mehr] - und unsere wichtigste Energiequelle, die Sonne, basiert auf dieser Umwandlung [>> mehr]). Alles, was es auf der Welt und im Universum gibt, alles, was wir sehen, anfassen, denken, fühlen, ... ist damit letzlich Energie; Wärme, Licht und Bewegung die Formen, in denen sie am auffälligsten ist.

Wo diese Energie herkommt, weiss niemand - die Erklärungen der Physiker reichen bis in Sekundenbruchteile nach dem Urknall (>> hier) zurück und erklären die Entstehung der Materie und der heutigen vier Grundkräfte (>> hier), der Urknall selbst ist jedoch ein Rätsel. Kräfte wirken auf Materie ein und verändern deren Energie; und so geht alle Energie im Weltall letztendlich auf die Einwirkungen der vier Grundkräfte auf die Materie zurück120. Besonders wichtig für uns auf der Erde ist der Elektromagnetismus: Fast alle Energie, die wir auf der Erde nutzen, geht auf elektromagnetische Strahlung, die Sonnenstrahlung (also Wärme und Licht), zurück. Das gilt auch für fossile Brennstoffe, die ja aus urzeitlichen Lebewesen entstanden sind (>> hier) und daher nichts anderes als gespeicherte Sonnenenergie sind; oder für die Windenergie - Wind entsteht in der Atmosphäre aufgrund der Sonnenstrahlung (>> hier). Eines der wichtigsten Grundgesetze der Physik, der Erste Hauptsatz der Thermodynamik oder Energieerhaltungssatz (>> mehr; in diesem Satz taucht die physikalische Definition von Energie als Erhaltungsgröße mit praktischen Konsequenzen wieder auf), besagt, dass Energie weder geschaffen noch verbraucht werden kann. Energie kann immer nur umgewandelt werden. Wenn unser Auto also Benzin “verbraucht”, wird die darin enthaltende Energie also eigentlich nur umgewandelt121, nämlich in Bewegungsenergie und (Ab-)Wärme. Was das “Schaffen” von Energie angeht, profitieren wir davon, dass die Erde kein geschlossenes System ist, sondern ein offenes: Durch die oben schon beschreibene Sonnenstrahlung wird ihr ständig Energie zugeführt.

Energie kann also in verschiedenen Formen vorliegen, die ineinander umgewandelt werden können. Die wichtigste Unterscheidung ist die zwischen Bewegungsenergie (Physiker nennen diese “kinetische Energie) und gespeicherter Energie (“potenzielle Energie”; es ist die im Benzin gespeicherte Energie, die im Motor in Bewegungsenergie umgewandelt wird). Je nachdem, wie diese Energie vorliegt, kann man sie weiter unterteilen: Die potenzielle Energie im Benzin ist in chemischen Verbindungen gespeichert, weshalb sie auch als chemische Energie bezeichnet wird, ein fahrendes Auto stellt eine mechanische Energie dar (wie Unfallopfer leidvoll erfahren), die Abwärme aus dem Motor ist thermische Energie; und dass wir auch in Australien nicht von der Erde fallen, liegt an der gravitativen Energie. Beim Strom (>> hier) schließlich sprechen wir von elektrischer Energie. Ist elektrische Energie beispielsweise in einer Batterie gespeichert, handelt es sich um potenzielle Energie, sobald der Stromkreis geschlossen wird und ein Strom fließt, um kinetische Energie.

Die Umwandlung der verschiedenen Energieformen ineinander ist aber von Natur aus eingeschränkt: Wärme bewegt sich immer vom wärmeren zum kälteren Körper - ein Eis schmilzt an einem heißen Tag von allein, niemals aber gefriert ein geschmolzenes Eis an solch einem Tag von allein. Wenn wir dieser natürlichen Tendenz entgegenwirken wollen, geht dieses nur, indem wir mehr Energie einsetzen (und damit etwa einen Gefrierschrank betreiben). Bei jeder Energieumwandlung müssen nach dem Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik (>> hier) zudem immer Verluste (meist in Form von praktisch nicht mehr nutzbarer Wärme) anfallen. Insgesamt folgt aus den beiden Hauptsätzen, dass die Energiemenge zwar immer gleich bleibt, ihre Qualität in einem geschlossenen System aber abnimmt. Qualität bei Energie steht für die Qualität der Arbeit, die die Energie leisten kann; abnehmende Qualität bedeutet also abnehmende Vielseitigkeit (siehe auch >> hier).

Die Einheiten der Energie

Die offizielle, international einheitliche SI-Einheit der Energie ist das Joule (nach dem britischen Physiker James Prescott Joule): Das ist die Energiemenge, die benötigt wird, für eine Sekunde eine Leistung von einem Watt zu erbringen; ein Joule entspricht daher einer Wattsekunde. Im menschlichen Maßstab ist das eher eine kleine Einheit: Ein ruhender Mensch hat einen Grundumsatz von etwa 55 - 90 Watt (je nach Gewicht und Geschlecht, wobei die Werte je nach Individuum um über 30 Prozent schwanken können). Diesen Wert kann man in die entsprechende Energie umrechnen (für das Rechenbeispiel gehen wir von einem mittlerem Wert von 75 Watt Grundumsatz aus):

  • 75 Watt über 24 Stunden (h) entsprechen einer Energie von 75 W x 24 h = 1.800 Wh oder 1,8 Kilowattstunden (kWh - Kilo steht wie in Kilogramm für 1.000)
     
  • 1 Stunde hat 3.600 Sekunden, 1 Wh sind also 3.600; 1 kWh 3.600 x 1.000 = 3.600.000 Joule; 1,8 kWh also 3.600.000 x 1,8 = 6.480.000 Joule. Eine Million wird mit Mega (M) abgekürzt, der Grundumsatz eines ruhenden Menschen entspricht also einer Energie von 6,48 MJ.

Ein Joule ist also eine sehr kleine Einheit, daher werden oftmals die vertrauteren Kilowattstunden verwendet, 1 Kilowattstunde sind, siehe oben, 3,6 Megajoule (1 kWh = 3,6 MJ). Kilowattstunden kennen Sie auch aus Ihrer Stromrechnung und können daher leicht einen Bezug zu ihrem eigenen Energieverbrauch herstellen.

Sie sehen weiter schon an diesem ersten Beispiel an Kilowattstunden und Megajoule, dass diese 1.000 oder 1.000.000 bedeutenden Vorsätze der Maßeinheiten beim Umgang mit Energie sehr nützlich sein können, daher zunächst einmal eine Übersicht:

Kilo (k)

1.000

Mega (M)

1.000.000

Giga (G)

1.000.000.000

Tera (T)

1.000.000.000.000

Peta (P)

1.000.000.000.000.000

Exa (E)

1.000.000.000.000.000.000

Auch diese “Vorsätze” stammen aus dem SI und sind international einheitlich, sie gelten für alle Einheiten. Wenn ein Windkraftwerk also 5 Megawatt (MW) leistet, sind dies 5 Millionen Watt. Wieviele elektrische Verbraucher mit 5 MW betrieben werden können, können Sie anhand der Angabe der Leistungsaufnahme, die bei elektrischen Verbrauchern vorgeschrieben ist, mit diesem Wissen selber ausrechnen: Beispielsweise 83.300 60-Watt-Glühbirnen oder über 450.000 11-Watt-Energiesparlampen.

Der Energieumsatz und die Energiequellen eines Menschen

Aber zurück zum Menschen: Zum “Grundumsatz” des ruhenden Menschen kommt noch ein von seiner Tätigkeit abhängiger “Leistungsumsatz” hinzu: Ein typischer “Schreibtischtäter” setzt am Tag insgesamt (Grundumsatz plus Leistungsumsatz) etwa 8 bis 9 MJ (etwa 2,5 kWh) um; ein körperlich schwer arbeitender Mensch 12 bis 15 MJ (etwa 3,5 bis 4 kWh). Diese Energie wird von der Nahrung geliefert, ist also in Form von chemischer Energie gespeicherte Sonnenstrahlung (auf die alle Nahrung, auch Fleisch, zurückgeht, siehe >> hier). Wie Sie wissen, wird die Energie in der Nahrung oft noch in “Kalorien” angegeben. Die Kalorie ist eine alte Einheit für Energie (das Wort stammt von lat. calor = Wärme - es ist die Menge an Energie, die gebraucht wird, um ein Gramm Wasser von 14,5 auf 15,5 Grad Celsius zu erwärmen). Lästig an der Kalorie ist vor allem, dass bei Nahrungsmitteln oft Kalorie gesagt wird, wenn physikalisch eigentlich Kilokalorie gemeint ist; Aufschluss gibt nur das Kürzel: cal meint Kalorie im physikalischen Sinn, kcal Kilokalorie. Der Umrechnungsfaktor von Kalorie zu Joule ist: 1 J = 0,239 cal oder 1 kJ = 0,239 kcal - über den Daumen kann man also mit einem Verhältnis 4 zu 1 rechnen. Ein “Schreibtischtäter” braucht für einen Umsatz von 8,5 MJ also etwa 2.000 kcal Energie aus der Nahrung am Tag; ein schwer arbeitender Mensch mit einem Umsatz von 15 MJ etwa 3.500 kcal.

Den Energiegehalt von Nahrungsmitteln können Sie heute auf der Packung lesen, aber es schadet ja nicht, selber eine Idee zu haben. Bei Pflanzen reicht er von etwa 1 MJ pro kg bei essbaren Blättern über 15 MJ/kg für Samenkörner (Getreide) bis zu 25 MJ/kg für Nüsse. Eier liegen bei 7 bis 8 MJ/kg, rotes Fleisch zwischen 5,5 und 23 MJ/kg. Besonders energiereich (und darum unbeliebt bei denen, die Diät halten) ist tierisches Fett: es liefert bis zu 39 MJ/kg.

Der Energiegehalt von Brennstoffen

Ähnlich energiehaltig wie Fett ist Rohöl: Ein Liter enthält 37 MJ. Mit dem Energiegehalt von einem Liter Rohöl könnte man einen schwer arbeitenden Menschen also mehr als zwei Tage lang “antreiben”. Den Energiegehalt der wichtigsten Brennstoffe gibt die folgende Tabelle an:

Rohöl

37 MJ/l = 10,3 kWh/l

Benzin

31 MJ/l = 8,6 kWh/l (Super, typischer Wert bei 15 °C)

Diesel

35,6 MJ/l = 9,9 kWh/l (typischer Wert bei 15 °C)

Erdgas

38 MJ/m³ (Dichte: 1,819 kg/m³) = 10,5 kWh/m³

Kohle

29,3 MJ/kg = 8,1 kWh/kg

Brennholz

15,8 MJ/kg = 4,4 kWh/kg

Wasserstoff

140 MJ/kg = 38,9 kWh/kg

Bioethanol

21,6 MJ/l = 6 kWh/l

Rechenbeispiele:

Ein Autofahrer in Deutschland fährt durchschnittlich 12.000 Kilometer im Jahr, sein Benzinverbrauch liegt bei 7,5 l/100 km. Er verbraucht also 915 Liter Benzin/Jahr = 2,51 Liter /Tag. Der mittlere Energiegehalt von Super liegt bei 8,6 kWh/l, der durchschnittliche Autofahrer verbraucht also 21,6 kWh/Tag* - etwa knapp 6 Mal soviel wie ein körperlich schwer arbeitender Mensch. Fährt er 20.000 Kilometer mit einem sparsameren Diesel (5 l /100 km), verbraucht er 1.000 Liter Diesel/Jahr = 2,74 Liter/Tag = 27,1 kWh/Tag* - oder knapp 8 Mal soviel wie ein schwer arbeitender Mensch.

*Dies ist nur der direkte Verbrauch. Da auch die Ölförderung, der Öltransport in die Raffinerie, die Herstellung von Benzin und dessen Verteilung an die Tankstellen Energie kosten, müssen diese Werte für eine vollständige Bilanz mit 1,4 multipliziert werden. Der durchschnittliche Autofahrer verbraucht bei Berücksichtigung des Energieaufwands der gesamten Erzeugungskette also 21,6 x 1,4 = 30,2 kWh/Tag, der Dieselfahrer 37,9 kWh/Tag - dazu kommt der Energieaufwand für die Herstellung des Autos (17,4 kWh/Tag, >> hier), der Straßen etc.: ein durchschnittlicher Autofahrer verbraucht daher knapp 50 kWh/Tag. Da in Deutschland auf 82 Millionen Einwohner über 41 Millionen Autos kommen, beträgt alleine der Energieverbrauch für den Autoverkehr pro Einwohner etwa 25 kWh/Tag (bei einem Gesamtenergieverbrauch pro Einwohner von 131 kWh/Tag, >> hier).

Die Nutzung fossiler Brennstoffe, auf der unsere Industriegesellschaft bis heute basiert (>> hier), hat jedoch derartige Ausmaße angenommen, dass wir insgesamt mit Einheiten wie Megajoule oder Kilowattstunden nicht mehr weit kommen. Der Primärenergieverbrauch der Menschheit beispielsweise betrug im Jahr 2010 545 EJ (>> hier)*. Was Exajoule sind, sehen Sie in der Tabelle oben - eine Milliarde Milliarden Joule. (Vorstellen können sich die meisten von uns dies genauso wenig, wie die 4,5 Milliarden Jahre, die die Erde alt ist.)

Tonnen Steinkohle- oder Erdöläquivalent

Bei den Exajoule gibt es aber Abhilfe: Sie werden in Tonnen Steinkohle- oder Erdöleinheiten umgerechnet. Dabei wird der Energiegehalt aller Brennstoffe mit dem verglichen, der in einer Tonne Kohle (also 29,3 GJ) oder Öl (hier ist die Umrechnung komplexer, denn Rohöl kann je nach Zusammensetzung eine Dichte von 0,8 bis 1 kg/l haben: gerechnet wird üblicherweise mit 41,9 GJ/Tonne, was einer Dichte von 0,883 kg/l entspricht). Beim Verbrauch gelangt man dann in den Bereich von Millionen Tonnen Steinkohle- (Abkürzung Mtce) oder Erdöläquivalent (Mtoe, siehe z.B. >> hier). Millionen kann man sich immerhin schon besser vorstellen als die Milliarden Milliarden, die sich hinter “Exa-” verbergen... Die Mengen sind aber immer noch gewaltig: Die 545 EJ globaler Energieverbrauch entsprechen 13.000 Millionen Tonnen Erdölaquivalent.

Terawattstunden

Damit aber noch nicht genug der Umrechnerei, denn es sind noch eine Reihe anderer Maßeinheiten gebräuchlich. Eine mögliche Basis ist die Kilowattstunde. Das Bundeswirtschaftsministerium gibt etwa in seiner Energiestatistik den deutschen Primärenergieverbrauch in Terawattstunden (TWh) an - er betrug im Jahr 2008 3.949 TWh (>> hier) oder je Einwohner 132 kWh/Tag. Eine Terawattstunde ist eine Milliarde Kilowattstunden (siehe Tabelle mit den Vorsätzen). Das bedeutet:

- 1 kWh = 3,6 MJ
- 1 TWh = 1 Milliarde kWh = 1 Milliarde x 3,6 MJ = 3,6 PJ
- 3.645 TWh = 3,6 x 3.946 = 14.216 PJ = 14,216 EJ.

Damit können Sie jetzt zum Beispiel ausrechnen, wie hoch der deutsche Anteil am Welt-Energieverbrauch ist: Er beträgt etwa 2,7 Prozent* des Welt-Energieverbrauchs (was wenig erscheinen könnte - aber wir stellen nur etwa 1,2 Prozent der Weltbevölkerung).

Barrel

Erdöl hingegen wird (siehe >> hier) zumeist in Barrel gemessen, ein Barrel sind 159 Liter. Das entspricht bei einer Dichte von 0,883 kg/l einem Gewicht von 140,4 kg, oder einem Energieinhalt von 5,88 GJ/Barrel. Der Weltölverbrauch betrug im Jahr 2005 3.896,8 Millionen Tonnen entsprechend 163.276 Millionen GJ = 163 EJ. Das sind ziemlich genau ein Drittel des gesamten Welt-Energieverbrauchs.

Zur Übersicht hier noch einmal eine Tabelle mit den wichtigsten Umrechnungsfaktoren:

1 Kalorie (cal)

4,187 Joule (J)

1 Kilowattstunde (kWh)

3,6 Megajoule (MJ)

1 Barrel Öl

5,88 Gigajoule (GJ)

1 Tonne Erdöläquivalent

41,9 Gigajoule (GJ)

1 Tonne Kohleäquivalent

29,3 Gigajoule (GJ)

Sonderfall erneuerbare Energie

Elektrischer Strom wurde in jüngerer Vergangenheit zum größten Teil in Wärmekraftwerken erzeugt, die fossile Brennstoffe verbrennen. Deren Energiegehalt ist bekannt. Aber wie soll man den Beitrag erneuerbarer Energiequellen, etwa eines Windrades, zum Primärenergieverbrauch berechnen? Hier gibt es zwei Methoden: Die international weit verbreitete und auch in der offiziellen deutschen Energiestatistik verwendete “Wirkungsgradmethode”, die davon ausgeht, das Wind-, Wasser- und Solarkraftwerke einen Wirkungsgrad von 100 Prozent besitzen. Das heißt, 1 kWh Strom aus Wind, Wasser oder Sonne entsprechen auch einem Primärenergiebedarf von 1 kWh. Damit werden aber eine Kilowattstunde Sonnenstrom einer entsprechenden Primärenergie in fossilen Brennstoffen gleichgesetzt. Aus dieser werden aber, aufgrund der prinzipbedingten Verluste in Wärmekraftwerken (>> hier) nur durchschnittlich 38 % in Elektrizität umgewandelt, also 0,38 kWh Strom erzeugt. Die Anhänger der “Substitutionsmethode” weisen darauf hin, dass hiermit der Beitrag erneuerbarer Energieträger zur Energieversorgung systematisch unterschätzt wird, erneuerbare Energieträger müssten mit der durch sie ersetzten (“substituierten”, daher der Name der Methode) Menge an fossilen Brennstoffen in die Berechnung einfließen, und da 1 kWh Strom aus erneuerbaren Energieträgern 2,63 kWh Energie aus fossilen Energieträgern entspricht, sei dies der richtige Wert. Dieser Ansatz wird zum Beispiel vom Wissenschaftlichen Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen vertreten.

Je nach verwendeter Methode kommt man zu sehr unterschiedlichen Aussagen: Im Jahr 2005 lieferte die Atomenergie weltweit 2.770 TWh Strom, die Wasserkraft 2.934 TWh, also etwa mehr. Nach der Wirkungsgradmethode betrug der Primärenergiebeitrag der Atomenergie aber 30,2 EJ, der der Wasserkraft nur 10,5 EJ. So kann man erneuerbare Energieträger auch kleinrechnen! Auch die Gesamtangaben zum Primärenergieverbrauch unterscheiden sich bei beiden Methoden. Daher ist übrigens auch die obige Berechnung zum deutschen Anteil am Weltenergieverbrauch nicht ganz genau: Die deutsche Statistik wurde mit der Wirkungsgradmethode gerechnet, die weltweiten Angaben aus der BP-Weltenergiestatistik mit der Substitutionsmethode. Bei Verwendung der gleichen Methode läge der deutsche Wert höher und unser Anteil könnte auch 2,8 Prozent betragen. Der Unterschied wird umso größer, je mehr erneuerbare Energien ein Land nutzt.

Merke: Man muss auch bei Energiestatistiken genau hinschauen, wie gerechnet wurde. Die in der “Kleinen Geschichte des menschlichen Energieverbrauchs” auf diesen Seiten (>> hier) verwendete Abbildung beruht auf Berechnungen nach der Substitutionsmethode, wie schon der Vergleich zwischen Atom- und Wasserkraft zeigt.

Siehe auch:
>>
Eine kleine Geschichte des menschlichen Energieverbrauchs
>>
Eine kleine Geschichte der Erdöls
>>
Das Ende des billigen Öls
>>
Eine kleine Geschichte der Atomkraft
>>
Energie für Morgen

© Jürgen Paeger 2006 - 2011

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Eine kleine Geschichte der Erforschung der Energie finden Sie >> hier.

Mehr zum Energiehaushalt der Erde: >> Die Erde als globales Ökosystem, insbesondere >> hier.

Watt - nach James Watt (>> mehr) - ist die Einheit von Leistung; Leistung die pro Zeiteinheit geleistete Arbeit. 1 Watt = 1 Joule / Sekunde. Für größere Leistungen wird oft auch kWh / Tag verwendet.

Eine ältere Einheit für Leistung war die Pferdestärke: 1 PS = 735,5 Watt.