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Freitag, 1. August 2014

Energie eines Energiespeichers

Berechnung der Energie eines Energiespeichers

Energie ist für Menschen ein vieldeutiges Wort, mit Energie in den Tag starten, energisch widersprechen oder ohne Energie ein Thema verfolgen. Energie ist aber auch eine physikalische Größe und da nicht jeder gerne dem Physikunterricht gefolgt ist, gibt es jetzt einen Versuch das Thema Energiespeicher übersichtlich zu erklären.

Was ist Energie

Wenn man mit dem Fahrrad einen Berg hinauf fährt, hat man Energie verbraucht, zumindest den Wunsch, Energie in Form von Nahrung zu sich zu nehmen. Erstaunlicherweise hat man aber nicht nur körperlich Energie verbraucht, man hat auch Energie gewonnen, Lageenergie, denn jetzt ist man auf einem Berg. Genau dieses Geschehen kann man sehr gut mit dem Begriff Energie, Energiespeicher und Energieumwandlung beschreiben.

Thomas Young benutzt um 1800 erstmals den Begriff Energie im modernem Sinn. (Bild Wikipedia)
Zuerst ist die Energie im Frühstücks-Müsli, die wird teilweise vom Körper aufgenommen und in Form von Zucker und Fett chemisch eingespeichert. Jetzt beginnt die Radtour, die chemische Energie wird in mechanische Energie umgewandelt, mit viel Kraft bewegt man seine eigenen Kilos Meter für Meter nach Oben. Dass die Energieumwandlung nicht zu hundert Prozent gelingt, merkt man spätestens, wenn man den Pullover auszieht weil einem sehr warm wird und an der Schweißperlen die zur Kühlung dienen. Wenn man Oben ist, kann man wieder herunterrollen. man bemerkt, es läuft von selbst, der Fahrtwind weht und nach dem Ausrollen ist man wieder am Ausgangspunkt angekommen. Jetzt ist alle Energie vollständig verbraucht, genaugenommen in Wärme umgewandelt. Bei der Fahrt ins Tal hat sich die Bremse und die Luft sich erwärmt, damit hat die Luft die ursprüngliche Lageenergie in Form von Wärmeenergie aufgenommen.

Wie kann man die Energie messen?

Um die Energie genau zu beschreiben benötigt man eine Einheit in der die Energie gemessen wird. Ähnlich wie eine Länge in Metern (m) und Gewicht mit der Einheit Kilogram (kg) gemessen wird, kann man auch Energie messen.
Isaac Newton, Physiker, nach dem die Einheit der Kraft benannt ist (Bild Wikipedia)
Da Energie durch Kraft mal Weg beschrieben wird, benötigt man eine Einheit für Kraft und eine Einheit für den Weg. Die Einheit für den Weg kennt jeder, es ist der Meter. Die Einheit für die Kraft ist das Newton (N), die zu Ehren des berühmten Physikers Isaac Newton so genannt wird. Ob es schlau ist, Einheiten nach Physikern zu benennen weis ich nicht, für viele ist es auch verwirrend, aber es ist eben so eingeführt. Ein Newton ist die Kraft, mit der hundert Gramm gegen die Hand drücken. Warum hundert Gram und nicht ein Kilogram? Das ist eine komplizierte Geschichte, die mit der Schwerkraft zusammenhängt und jetzt nicht genauer erklärt wird.
James Prescott Joule, nach Ihm ist das Newton Meter benannt. (Bild: Wikipedia)
Also hat die Energie die Einheit von Kraft mal Weg oder in anderen Worten Newton Meter, abgekürzt Nm!
So weit so gut, aber jetzt kommt wider das Phänomen, dass berühmte Physiker namentlich in Einheiten verewigt werden. Für ein Nm sagt der Physiker Joule (J), das ist nach dem Engländer James Joule benannt.
Ein Joule ist nicht besonders viel Energie, etwa die Lageenergie, wenn eine Schokoladentafel auf dem Tisch und nicht am Boden liegt. Auf der Müslipackung findet man die Angabe Kilo Joule (kJ) das sind tausend Joule und das ist die Energie, die der Schokoladenesser als Lageenergie hat, wenn er auf den Tisch steigt.
Im Alltag verwendet man eine noch größere Energieeinheit und das ist die kWh (kilo Watt Stunde). Jetzt kommt noch ein Physiker ins Spiel, das ist James Watt, bekannt durch seine Erfindung der Dampfmaschine. Es sei angemerkt, er hat die Dampfmaschine nicht erfunden, aber doch erheblich verbessert. 
James Watt, Dampfmaschinenbauer und Namensgeber der Leistungseinheit Watt. (Bild Wikipedia)
Eine Kilowattstunde ist die Energie, die bei einer Leistung von tausend Watt in einer Stunde umgesetzt wird. Moment, ich habe vergessen zu erklären was eine Leistung bei Physikern ist. Eine Leistung ist es, wenn man die Tafel Schokolade vom Boden aufhebt und auf den Tisch legt, schafft man das in einer Sekunde, hat man ein Watt (W) geleistet. Klettert man in einer Sekunde selbst auf den Tisch, ist das sogar ein Kilowatt! Nebenbei, das ist richtig anstrengend, daher bringen wir nicht so gerne viel Leistung, aber das ist wieder ein anderes Problem.

Die Umrechnung der Energie

Die einzelnen Einheiten könne Problemlos ineinander umgerechnet werden:
1 Nm = 1 J = 1 Ws
1000 J = 1kJ
3600 kJ = 1 kWh
Es gibt noch ungezählt viele andere Einheiten, diese habe ich in meinem Blogbeitrag "Energieeinheiten uneienheitlich" genauer betrachtet. 

Energie im Energiespeicher

Jetzt sind wir in der Lage die Energie in einem Energiespeicher zu berechnen, wir brauchen nur die Leistungsaufnahme während des Ladens zu Messen und die Dauer der Ladezeit festhalten.
Lädt man etwa eine Batterie mit einem Watt über eine Stunde, so hat die Batterie 3600 Ws =3600 J Energie aufgenommen. Eine gute Batterie sollte diese Energie auch wieder nahezu vollständig abgeben. Der Wirkungsgrad von Lithiumbatterien liegt heute bei über 90%!
Tesla S mit einer 85 kWh Lithium Batterie. (Bild Wikipedia)
Jetzt tanken wir einen Tesla S, ein Elektroauto mit einer 85 kWh Batterie.
Schließen wir die Batterie an eine einfache Haushalts-Steckdose an, so liefert diese Steckdose 3kW. Um die Batterie vollständig zu laden benötigt man daher beachtliche 28 Stunden, Autos brauchen eben viel Strom. Jetzt fahren wir mit dem Tesla S in die Berge und überlegen, wie hoch hinauf wir mit einer Batterieladung kommen. Angenommen der Wagen wiegt mit Fahrer ~2000 kg, dann müssen wir eine Kraft von ~20 000 N (= 20 kN) aufwenden um Höhe zu gewinnen. Mit 85 kWh im "Tank" schaffen wir:
85 kWh * 3600 kJ/kWh / 20 kN ~ 15 000 m, damit können wir also zwei mal den Mount Everest hochfahren! Dem Elektromotor macht die Höhenluft keine Probleme, bei der Straße wird es schon schwieriger.

Eine gute Reise wünscht Eduard Heindl

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