Energie sparen bewerten: Übungen zu Energie und Leistung

Einstieg

„Energie sparen“ hörst du oft. Aber welche Maßnahmen bringen wirklich viel, und welche fast nichts? Mit Leistung, Zeit und Wirkungsgrad kannst du das selbst ausrechnen und begründet entscheiden. Zum Schluss übst du die ganze Reihe noch einmal.

Erklärung

Drei Hebel zum Energiesparen

Aus $E = P \cdot t$ und dem Wirkungsgrad folgen drei Möglichkeiten:

1. Kleinere Leistung: ein Gerät mit kleinerer Leistung für dieselbe Aufgabe (LED statt Glühlampe).
2. Kürzere Zeit: Geräte nur so lange laufen lassen, wie nötig (Licht aus, kein Standby).
3. Besserer Wirkungsgrad: weniger Energie geht ungenutzt an die Umgebung (Deckel auf dem Topf, Wasserkocher statt Herdplatte für Wasser).

So bewertest du eine Sparmaßnahme

1. Energie vorher berechnen: $E_1 = P_1 \cdot t_1$.
2. Energie nachher berechnen: $E_2 = P_2 \cdot t_2$.
3. Einsparung $E_1 - E_2$ in kWh und in Euro (angenommener Preis 0,35 € pro kWh) angeben.
4. Vergleichen: Ist die Einsparung groß im Verhältnis zum Jahresstrombedarf eines Haushalts (etwa 3500 kWh)?
5. Auch nennen, was die Rechnung nicht erfasst (Anschaffungskosten, Bequemlichkeit, Herstellung des Geräts).

Wo im Haushalt die meiste Energie steckt

Den größten Teil der Energie eines Haushalts braucht in Deutschland meist nicht der Strom, sondern die Heizung und das warme Wasser. Als Faustregel gilt: Jedes Grad weniger Raumtemperatur spart etwa 6 % Heizenergie. Stoßlüften (kurz und weit öffnen) statt dauernd gekippter Fenster verhindert, dass Wände auskühlen.

Grenzen der Physik

Die Physik kann ausrechnen, wie viel Energie eine Maßnahme spart. Ob sie sich lohnt, hängt auch von Kosten, Umweltwirkungen bei der Herstellung und persönlichen Vorlieben ab. Diese Fragen kann die Physik allein nicht entscheiden.

Beispiele

Beispiel 1: Kochen mit Deckel

Nudelwasser zum Kochen bringen dauert auf einer 2-kW-Platte ohne Deckel 12 min, mit Deckel 9 min. Ohne Deckel: $2\,\text{kW} \cdot 0{,}2\,\text{h} = 0{,}4\,\text{kWh}$. Mit Deckel: $2\,\text{kW} \cdot 0{,}15\,\text{h} = 0{,}3\,\text{kWh}$. Einsparung 0,1 kWh pro Mal, das sind 25 %. Bei 200-mal im Jahr: 20 kWh, etwa 7 €.

Beispiel 2: Ladegerät in der Steckdose

Ein Ladegerät ohne Handy braucht 0,1 W. Im Jahr: $0{,}0001\,\text{kW} \cdot 8760\,\text{h} \approx 0{,}9\,\text{kWh}$, etwa 30 Cent. Das ist wenig. Ein alter Fernseher mit 10 W Standby kommt auf das Hundertfache.

Beispiel 3: Gemischte Aufgabe

Aufgabe: Ein Heizlüfter (2 kW, $\eta \approx 1$, fast alles wird zu Wärme) läuft im Winter 2 h täglich an 90 Tagen. Wie viel Energie und Geld kostet das?

Lösung: $E = 2\,\text{kW} \cdot 2\,\text{h} \cdot 90 = 360\,\text{kWh}$. Kosten: $360 \cdot 0{,}35\,€ = 126\,€$. Das sind gut 10 % des Jahresstrombedarfs eines Haushalts mit 3500 kWh.

Typische Fehler der ganzen Reihe

1. „Energie wird verbraucht.“ Sie wird umgewandelt und entwertet, sie bleibt erhalten.
2. Leistung und Energie verwechselt: Watt ist eine Leistung, kWh eine Energie. „Der Wasserkocher verbraucht 2000 Watt“ ist unklar, gemeint ist seine Leistung.
3. Einheiten nicht umgerechnet: Watt mit Minuten multipliziert und als kWh angegeben.
4. Wirkungsgrad größer als 100 % berechnet: Dann sind Nutz- und Zufuhrenergie vertauscht.
5. Thermische Energie an die Umgebung in der Energiekette vergessen.

Merksatz

Energie spart man durch kleinere Leistung, kürzere Betriebszeit oder besseren Wirkungsgrad. Wer eine Maßnahme bewertet, rechnet die Energie vorher und nachher aus, vergleicht mit dem Gesamtbedarf und nennt auch, was die Rechnung nicht erfasst.

Übungen

Grundlagen

1. Nenne die drei Hebel zum Energiesparen mit je einem Beispiel.
2. Ein Gerät mit 1,5 kW läuft 40 min. Berechne die Energie in kWh und in MJ.
3. Ein Motor bekommt 600 J und gibt 480 J Bewegungsenergie ab. Berechne den Wirkungsgrad.

Weiter

4. Eine Familie ersetzt 10 Glühlampen (je 60 W) durch LED-Lampen (je 8 W). Jede Lampe leuchtet im Schnitt 3 h am Tag. Berechne die jährliche Einsparung in kWh und Euro.
5. Bewerte: „Ich ziehe jeden Abend mein Handyladegerät aus der Steckdose, damit spare ich viel Energie.“ Nutze Beispiel 2.
6. Zeichne die Energieübertragungskette für einen Heizlüfter und gib an, warum sein Wirkungsgrad für „Wärme im Raum“ fast 100 % ist.

Knobeln

7. Ein Wasserkocher (2000 W) braucht für 1 L Wasser 3 min 20 s. Zum Erwärmen des Wassers sind 335 kJ nötig. Berechne den Wirkungsgrad. Wie viel Energie spart man im Jahr, wenn man jeden Tag 0,5 L weniger Wasser kocht als bisher, weil man nur so viel kocht, wie man braucht?
8. Begründe, warum ein Elektroheizlüfter mit fast 100 % Wirkungsgrad trotzdem nicht unbedingt die beste Heizung ist. Denke an die ganze Kette bis zum Kraftwerk.

Lösungen

1. Kleinere Leistung (LED statt Glühlampe), kürzere Zeit (Licht ausschalten), besserer Wirkungsgrad (Deckel auf den Topf).
2. $E = 1{,}5\,\text{kW} \cdot \frac{40}{60}\,\text{h} = 1\,\text{kWh} = 3{,}6\,\text{MJ}$.
3. $\eta = \frac{480\,\text{J}}{600\,\text{J}} = 0{,}8 = 80\,\%$.
4. Einsparung pro Lampe 52 W. Zusammen $10 \cdot 0{,}052\,\text{kW} \cdot 3\,\text{h} \cdot 365 \approx 569\,\text{kWh}$ pro Jahr, das sind etwa 199 €.
5. Die Einsparung beträgt nur etwa 0,9 kWh oder 30 Cent im Jahr, das ist im Vergleich zum Jahresstrombedarf von 3500 kWh sehr wenig. Es schadet nicht, bringt aber wenig. Wirksamer sind Maßnahmen beim Heizen, beim warmen Wasser oder bei Geräten mit großer Leistung.
6. Elektrische Energie → Heizdraht → thermische Energie der Luft, Gebläse → Bewegungsenergie der Luft, die am Ende auch zu thermischer Energie im Raum wird. Fast die ganze Energie landet als Wärme im Raum, und genau die ist hier erwünscht.
7. $E_{\text{zu}} = 2000\,\text{W} \cdot 200\,\text{s} = 400\,\text{kJ}$. $\eta = \frac{335}{400} \approx 0{,}84 = 84\,\%$. Für 0,5 L braucht er die Hälfte: 200 kJ pro Tag. Im Jahr: $200\,\text{kJ} \cdot 365 = 73\,000\,\text{kJ} = 73\,\text{MJ}$, das sind $73 : 3{,}6 \approx 20\,\text{kWh}$ oder etwa 7 €.
8. Der Heizlüfter wandelt fast die ganze elektrische Energie in Wärme. Der Strom muss aber erst in einem Kraftwerk erzeugt werden. Ein Kohlekraftwerk hat nur etwa 40 % Wirkungsgrad. Von der Energie der Kohle kommt also nur etwa 40 % als Wärme im Raum an. Eine Heizung, die den Brennstoff direkt im Haus nutzt, oder eine Wärmepumpe kann die Energie besser nutzen.