Paul Langrock / Zenit / laif – Ein Tunnel im Berliner Untergrund verbindet Friedrichshain und Marzahn per Stromautobahn. Ein Netzingenieur auf Inspektionstour

24.9.2013 | Von:
Hans-Joachim Ziesing

Was ist Energie

Gebräuchliche Maßeinheiten

Wesentlich für das Verständnis von Energiefragen ist die Kenntnis der wichtigsten Maßeinheiten. Bei der Stromversorgung unterscheidet man zwischen elektrischer Leistung und elektrischer Arbeit, wobei die elektrische Leistung in Watt und die elektrische Arbeit in Wattstunden oder jeweils einem Vielfachen davon gemessen wird.

Quellentext

Übersicht über Vorsätze bei den Einheiten

Um Zahlen mit vielen Stellen zu vermeiden, werden bei den jeweiligen Einheiten Vorsätze verwendet, die ein Vielfaches von Maßeinheiten bilden.
Wenn von einer Kraftwerksleistung von einem MW (Megawatt) gesprochen wird, dann sind das 1000 kW (Kilowatt) oder eine Million W (Watt).

Ähnlich bei der elektrischen Arbeit: Eine MWh (Megawattstunde) sind 1000 kWh (Kilowattstunden); eine TWh (Terawattstunde) sind eine Milliarde kWh. Ein Beispiel: In Deutschland betrugen die gesamten Kraftwerkskapazitäten im Jahr 2012 rund 174 000 MW bei einer Netto-Stromerzeugung von knapp 583 Milliarden kWh (=583 TWh).

Ähnliches gilt für die Einheit „Joule“: Ein Kilojoule (kJ) sind 1000 Joule, entsprechend sind ein Gigajoule (GJ) eine Milliarde Joule bzw. ein Petajoule (PJ) eine Million Gigajoule:
k = Kilo 1000 Tausend
M = Mega 1 000 000 Million
G = Giga 1 000 000 000 Milliarde
T = Tera 1 000 000 000 000 Billion
P = Peta 1000 000 000 000 000 Billiarde


Für einen einfachen Weg zur Umrechnung der Einheiten sei auf den Einheitenumrechner der Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen verwiesen (auch als App verfügbar):
www.ag-energiebilanzen.de/viewpage.php?idpage=67


Strom und seine Maßeinheiten

Der Stromverbraucher ist meist daran interessiert, wie viele Kilowattstunden (also wie viel elektrische Arbeit) er verbraucht hat. Gleichzeitig nimmt er aber auch eine elektrische Leistung in Anspruch, wenn er Haushaltsgeräte wie die Spülmaschine oder die Waschmaschine anschaltet. Damit fragt er eine bestimmte Leistung nach, die auf Wunsch zu einem beliebigen Zeitpunkt bereitstehen soll. Stellen die Kraftwerke diese dann nicht zur Verfügung, kann die gerade nachgefragte Leistung nicht gedeckt werden. Eine sichere Stromversorgung lässt sich daher nur gewährleisten, wenn jederzeit, das heißt rund um die Uhr, ausreichende Kraftwerkskapazitäten (Kraftwerksleistungen) zur Deckung dieser Leistungsnachfrage zur Verfügung stehen.
Aber was ist Strom eigentlich? Vereinfacht gesagt, ist er ein Teil der Elektrizität. Zu ihr gehört alles, was durch ruhende oder bewegte elektrische Ladung verursacht wird. Träger elektrischer Ladungen sind negativ geladene Elektronen oder positiv geladene Protonen. Folgende Maßeinheiten werden zur Beschreibung des Stroms verwendet:
  • Ampere: misst die Stromstärke, also die pro Einheit fließende Ladung.
  • Volt: ist die Maßeinheit für die elektrische Spannung, wobei zwischen den Netzebenen Nieder-, Mittel-, Hoch- und Höchstspannung unterschieden wird. Private Haushalte werden meist über das Niederspannungsnetz versorgt. Große Kraftwerke speisen meist in die Hoch- und Höchstspannung, aus denen teilweise auch große Stromverbraucher ihre elektrische Energie beziehen. Kleinere Industriebetriebe und andere gewerbliche Stromverbraucher versorgen sich vorwiegend über das Mittelspannungsnetz.
  • Ohm: stellt ein Maß für den elektrischen Widerstand einer Stromleitung dar.
  • Hertz: ist ein Maß für die Frequenz, also für die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde im Stromnetz (überwiegend 50,0 Hertz).
  • Watt: Damit wird die elektrische Leistung bezeichnet, die sich als Produkt aus Spannung (Volt) und Stromstärke (Ampere) ergibt.
  • Wattstunde: misst die elektrische Arbeit, das Produkt aus Leistung und Zeit; gebräuchlich ist der Ausdruck Kilowattstunde (kWh). In der Physik wird für die elektrische Energie die Einheit Wattsekunde (Ws) verwendet, dabei ist 1 Ws = 1 J (Joule).
Berechnung des Gesamtenergieverbrauchs

Neben den zahlreichen Maßeinheiten, die für Strom relevant sind, kommen bei gesamtenergiewirtschaftlichen Betrachtungen noch weitere Maßeinheiten ins Spiel. Der gesamte Energieverbrauch einer Region speist sich aus sehr unterschiedlichen Primär- und Sekundärenergieträgern. Die wichtigsten sind Stein- und Braunkohlen, Mineralölprodukte (wie Benzin, Diesel, Heizöl), Erdgas, Kernenergie, Strom und Fernwärme sowie die große Palette von erneuerbaren Energien (Biomasse, Wind, Wasser, Sonne, Geothermie). Sie sind in den Energiestatistiken oft nur in ihren jeweiligen spezifischen Einheiten (z. B. in Tonnen, Kubikmeter, Terajoule) ausgewiesen.
Um die Energieträger vergleichbar und additionsfähig zu machen und sie zur Ermittlung des Gesamtenergieverbrauchs einheitlich bewerten zu können, müssen sie auf einen einheitlichen Nenner gebracht werden. Das geschieht mit Hilfe von Umrechnungsfaktoren. Seit 1977 werden die in spezifischen Einheiten erfassten Mengen in "Joule" umgerechnet. Als noch die Nutzung von Kohle dominierte, war auch die Umrechnung in Steinkohleneinheiten (SKE) üblich. Die Umrechnung der Energieträger geschieht auf der Grundlage ihrer Heizwerte. Der Heizwert bezeichnet die bei einer Verbrennung maximal nutzbare Wärmemenge. Allerdings ist dieser Wert nicht bei allen Energieträgern unveränderlich. Die Qualität eines Energieträgers kann sich im Zeitablauf ändern, beispielsweise bei fossilen Energieträgern in Abhängigkeit von ihren Lagerstätten. So haben Steinkohlen verschiedener Herkunft, aber auch, wenn sie aus verschiedenen Schichten derselben Lagerstätte kommen, unterschiedliche Heizwerte. Je nach Zusammensetzung der Steinkohlenförderung in einer Lagerstätte oder einer Förderregion variiert dann auch der gewichtete Heizwert.

Ein besonderes Problem stellt sich, wenn mit stromerzeugenden Primärenergieträgern international gehandelt wird und die Produkte vergleichbar sein sollen. Gleiches gilt für die Bewertung von Wasser- und Windkraft, Photovoltaik und Kernenergie, die zur Stromerzeugung eingesetzt werden. Hier gibt es keinen einheitlichen Umrechnungsmaßstab wie den Heizwert. In diesen Fällen wird in Übereinstimmung mit internationalen Organisationen (IEA, EUROSTAT, ECE) auch in den Energiebilanzen für Deutschland das sogenannte Wirkungsgradprinzip angewendet. Dabei wird für die Kernenergie ein als repräsentativ erachteter Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung von 33 Prozent zugrunde gelegt. Der Wirkungsgrad misst die Effizienz von Energiewandlungen und Energieübertragungen. Er ist eine dimensionslose Größe und beschreibt das Verhältnis der Nutzleistung zur zugeführten Leistung. Bei der Stromerzeugung aus den erneuerbaren Energieträgern Wasserkraft, Wind und Solarstrahlung wird der jeweilige Energieeinsatz dem Heizwert der erzeugten elektrischen Energie gleichgesetzt. Der Heizwert für den Strom beträgt 3600 kJ/kWh, mit dem ebenfalls der Stromaustauschsaldo bewertet wird. Während Erdgas, setzt man es zur Stromerzeugung ein, mit seinem Heizwert (etwa 31 736 kJ/kWh) zwar unmittelbar bewertet wird, dann aber noch der Umwandlungswirkungsgrad von Steinkohle zu Strom zu berücksichtigen ist (etwa 43 %), setzt man bei der primärenergetischen Bewertung von Wind, Photovoltaik und ähnlichem einen Wirkungsgrad von 100 Prozent an. Diese Bewertungsmaßgabe hat zur Folge, dass ein Ersatz der Stromerzeugung aus Kernkraftwerken, die primärenergetisch mit 33 Prozent bewertet wird, durch erneuerbare Energien mit einem Wirkungsgrad von 100 Prozent rein statistisch gesehen zu einer relativen Verminderung des Primärenergieverbrauchs führt, ohne dass sich das Niveau der Stromerzeugung verändert hätte.