Sascha Jung
Maßnahmen zur Einsparung
elektrischer Energie in
privaten Haushalten und deren
Darstellung im Technikunterricht
1
Inhaltsverzeichnis
1.
Einleitung
... 7
1.1
Aktualität der Thematik
... 7
1.2
Anteil der Haushalte am Netto-Stromverbrauch
... 8
1.3
Anstieg des Energieverbrauchs in privaten
Haushalten
... 9
1.4
Motive zur Einsparung elektrischer Energie
... 11
1.4.1 Ökologische Motive ... 11
1.4.2 Ökonomische Motive ... 12
1.4.3 Ethisch-theologische Motive ... 12
1.5
Ziele der Arbeit
... 13
2.
Definitionen
... 14
2.1
Physikalische Begriffe
... 14
2.1.1 Energie und elektrische Energie... 14
2.1.2 Strom, Spannung und Leistung ... 15
2.2
Technische Begriffe
... 15
2.2.1 Primär- und Sekundärenergie... 16
2.2.2 End- und Nutzenergie... 16
2.2.3 Wirkungs- und Nutzungsgrad ... 16
3.
Alternativen und Ergänzungen in der
Energieversorgung
... 17
3.1
Erschöpfbare Energieträger
... 17
3.1.1 Fossile Brennstoffe... 18
3.1.1.1
Technische Einsetzbarkeit... 18
3.1.1.2
Wirtschaftlichkeit... 18
3.1.1.3
Umweltverträglichkeit ... 19
2
3.1.2 Nukleare Brennstoffe... 19
3.1.2.1
Technische Einsetzbarkeit... 19
3.1.2.2
Wirtschaftlichkeit... 20
3.1.2.3
Umweltverträglichkeit ... 20
3.2
Regenerative Energien
... 21
3.2.1 Sonnenenergie ... 21
3.2.1.1
Technische Einsetzbarkeit... 21
3.2.1.2
Wirtschaftlichkeit... 22
3.2.1.3
Umweltverträglichkeit ... 22
3.2.2 Windenergie ... 22
3.2.2.1
Technische Einsetzbarkeit... 23
3.2.2.2
Wirtschaftlichkeit... 23
3.2.2.3
Umweltverträglichkeit ... 23
3.2.3 Wasserkraft ... 24
3.2.3.1
Technische Einsetzbarkeit... 24
3.2.3.2
Wirtschaftlichkeit... 24
3.2.3.3
Umweltverträglichkeit ... 24
3.2.4 Erdwärme ... 25
3.2.4.1
Technische Einsetzbarkeit... 25
3.2.4.2
Wirtschaftlichkeit... 25
3.2.4.3
Umweltverträglichkeit ... 25
3.2.5 Biomasse... 26
3.2.5.1
Technische Einsetzbarkeit... 26
3.2.5.2
Wirtschaftlichkeit... 26
3.2.5.3
Umweltverträglichkeit ... 27
3.3
Technologien
... 28
3.3.1 Wärmepumpen ... 28
3.3.1.1
Technische Einsetzbarkeit... 28
3.3.1.2
Wirtschaftlichkeit... 28
3.3.1.3
Umweltverträglichkeit ... 29
3
3.3.2 Wärmerückgewinnung... 29
3.3.2.1
Technische Einsetzbarkeit... 29
3.3.2.2
Wirtschaftlichkeit... 29
3.3.2.3
Umweltverträglichkeit ... 30
3.3.3 Kraft-Wärme-Kopplung... 30
3.3.3.1
Technische Einsetzbarkeit... 30
3.3.3.2
Wirtschaftlichkeit... 30
3.3.3.3
Umweltverträglichkeit ... 31
3.3.4 Energiegewinnung aus Müll und Deponiegas... 31
3.3.4.1
Technische Einsetzbarkeit... 31
3.3.4.2
Wirtschaftlichkeit... 31
3.3.4.3
Umweltverträglichkeit ... 32
4.
Energielabel
... 33
5.
Energiedienstleistungen und
Einsparmöglichkeiten
... 35
5.1
Beleuchtung
... 36
5.1.1 Technische Beschreibung ... 36
5.1.1.1
Lichttechnische Größen... 36
5.1.1.2
Lampenarten ... 37
5.1.2 Analyse der Einsparmöglichkeiten... 38
5.1.2.1
Technische Möglichkeiten zur Reduzierung des
Energieverbrauchs ... 38
5.1.2.2
Einsparmöglichkeiten bei der Nutzung ... 40
5.2
Kühlen und Gefrieren
... 41
5.2.1 Technische Beschreibung ... 41
5.2.2 Analyse der Einsparmöglichkeiten... 42
5.2.2.1
Technische Möglichkeiten zur Reduzierung des
Geräteverbrauchs... 42
5.2.2.2
Einsparmöglichkeiten bei der Nutzung ... 43
4
5.3
Spülen, Waschen und Trocknen
... 45
5.3.1 Technische Beschreibung ... 45
5.3.2 Analyse der Einsparmöglichkeiten... 46
5.3.2.1
Technische Möglichkeiten zur Reduzierung des
Geräteverbrauchs... 46
5.3.2.2
Einsparmöglichkeiten bei der Nutzung ... 47
5.4
Kochen und Backen
... 49
5.4.1 Technische Beschreibung ... 49
5.4.2 Analyse der Einsparmöglichkeiten... 50
5.4.2.1
Technische Möglichkeiten zur Reduzierung des
Energieverbrauchs ... 50
5.4.2.2
Einsparmöglichkeiten bei der Nutzung ... 50
5.5
Stand-by-Betrieb und andere Leerlaufformen
... 52
5.5.1 Technische Beschreibung ... 52
5.5.2 Analyse der Einsparmöglichkeiten... 53
5.5.2.1
Technische Möglichkeiten zur Reduzierung des
Energieverbrauchs ... 53
5.5.2.2
Einsparmöglichkeiten bei der Nutzung ... 54
5.6
Heizen
... 55
5.6.1 Technische Beschreibung ... 55
5.6.2 Analyse der Einsparmöglichkeiten... 56
5.6.2.1
Technische und bauphysikalische Möglichkeiten
zur Einsparung von Heizenergie... 56
5.6.2.2
Einsparmöglichkeiten durch Verhalten ... 57
5.7
Warmwasserbereitung
... 58
5.7.1 Technische Beschreibung ... 58
5.7.2 Analyse der Einsparmöglichkeiten... 59
5.7.2.1
Technische Möglichkeiten zur Verringerung des
Strombedarfs bei der Warmwasserversorgung
... 59
5.7.2.2
Einsparmöglichkeiten bei der Nutzung ... 59
5
6.
Thematisierung im Technikunterricht
... 61
6.1
Didaktische Überlegungen
... 61
6.1.1 Schülerbezug... 61
6.1.2 Lehrplanbezug... 62
6.2
Überlegungen zu Einstiegsmöglichkeiten
... 63
6.2.1 Schätzung des Energieverbrauchs... 63
6.2.2 Zeitungsartikel zur Klimaveränderung ... 63
6.2.3 Wandel der Energiedienstleistungen ... 64
6.3
Ideenimpulse für den Unterricht
... 65
6.3.1 Messungen ... 65
6.3.2 Rollenspiel ... 65
6.3.3 Ausstellung ... 65
6.3.4 Erkundung ... 66
6.3.5 Thementag ... 66
6.4
Experimente zum rationellen Einsatz elektrischer
Energie
... 67
6.4.1 Untersuchung und Vergleich der Wirkungsgrade von
Leuchtdiodenlampe und Halogenlampe ... 67
6.4.2 Untersuchung und Vergleich des Stromverbrauchs von
Kochplatte und Eierkochgerät... 80
6.5
Unterrichtsbeispiel zu Leerlaufverlusten
... 81
6.5.1 Voraussetzungen bei den Schülerinnen und Schülern 81
6.5.1.1
Entwicklungspsychologische Situation ... 82
6.5.1.2
Vorkenntnisse... 82
6.5.2 Äußere Voraussetzungen... 83
6.5.3 Lernziele ... 83
6.5.3.1
Richtziel ... 83
6.5.3.2
Grobziele ... 83
6.5.3.3
Feinziele ... 84
6.5.4 Artikulation... 84
6.5.5 Sozial- und Aktionsformen... 85
6
6.5.6 Medien und Materialien ... 86
6.5.7 Unterrichtsprinzipien... 87
6.5.8 Geplanter Unterrichtsverlauf... 88
7.
Schlusswort
... 97
8.
Liste der verwendeten Formelzeichen und
Einheiten
... 98
9.
Verzeichnis der Abbildungen und Tabellen
... 99
10.
Literatur- und Medienverzeichnis
... 101
11.
Anhang: Arbeitsblätter
... 110
7
1. Einleitung
1.1 Aktualität der Thematik
Die Begrenztheit der nicht regenerativen, besonders der fossilen,
Energieressourcen verbunden mit dem steigenden Weltenergie-
bedarf
1
und der sich als bedrohlich erweisenden Umweltbelastung
durch die Gewinnung bzw. den Einsatz von Energie stellt die
Menschheit vor erhebliche Probleme.
Spätestens seit der Konferenz der Vereinten Nationen über Umwelt
und Entwicklung im Juni 1992 in Rio de Janeiro ist das Schlagwort
Nachhaltigkeit im Sinne einer zukunftsfähigen Entwicklung allgemein
bekannt
2
; es bedeutet nach der Definition der Vereinten Nationen
,,den Bedürfnissen der heutigen Generation zu entsprechen, ohne die
Möglichkeiten künftiger Generationen zu gefährden, ihre eigenen
Bedürfnisse zu befriedigen".
3
Im Kyoto-Protokoll von 1997 wurden
von der internationalen Staatengemeinschaft erstmals verbindliche
Zielwerte für den Ausstoß von Treibhausgasen festgelegt.
4
Die
globale Klimaerwärmung, welche hauptsächlich durch CO
2
-
Emissionen (Kohlenstoffdioxid-Emissionen) bei der Energie-
erzeugung verursacht wird
5
, machte das Thema Energieeffizienz
zum Gegenstand aktueller politischer Diskussion. Im März 2007
erklärte die Chefin des Bundesverbandes der deutschen
Verbraucherzentralen gegenüber der Berliner Zeitung, dass ein
Verzicht auf den Stand-by-Betrieb zwei Atomkraftwerke überflüssig
1
Vgl. Statistisches Bundesamt 2006, S. 370
2
Vgl. http://www.bmu.de/nachhaltige_entwicklung/agenda_21/doc/2560.php
(16.09.2007)
3
Vgl. http://www.learn-line.nrw.de/angebote/agenda21/info/nachhalt.htm (18.10.2007)
4
Vgl. http://www.bmu.de/klimaschutz/internationale_klimapolitik/kyoto_protokoll/doc/
5802.php (16.09.2007)
5
Vgl. http://www.ecopop.ch/A9NATUR/globaleerwaermung.htm (16.09.2007)
8
machen würde.
6
Aus einem Antrag von Abgeordneten der Fraktion
BÜNDNIS 90/DIE GRÜNEN an den 16. Deutschen Bundestag vom
21.03.2007 geht die Forderung hervor, sich für ein europaweites
Verbot von ineffizienten Stand-by-Schaltungen an Geräten
auszusprechen.
7
Daneben kündigte die Regierung in Australien im
Februar 2007 das Verbot von herkömmlichen Glühlampen, deren
Lichtausbeute im Verhältnis zur Wärmestrahlung relativ gering ist, für
2010 an.
8
Durch steigende Strompreise wird das Thema
Energiesparen nicht nur populär, sondern auch wirtschaftlich
interessant und rentabel. So planen die deutschen Energieversorger
RWE und E.ON einem Bericht der Berliner Zeitung vom 19.09.2007
zufolge zum Januar 2008 eine Strompreiserhöhung um bis zu 10
Prozent.
9
Vor diesem Hintergrund ist es durchaus angebracht, sich
mit Maßnahmen zur Einsparung elektrischer Energie zu
beschäftigen.
1.2 Anteil der Haushalte am Netto-Stromverbrauch
Der Begriff Stromverbrauch wird umgangssprachlich vielfach
verwendet; tatsächlich wird aus physikalischer Sicht aber kein Strom
verbraucht, sondern lediglich elektrische Energie in andere Energie-
formen umgewandelt.
10
Da der Ausdruck aber im Sprachgebrauch
allgemein üblich ist, wird er auch in dieser Arbeit verwendet.
Im Jahr 2005 betrug der Netto-Stromverbrauch (vom Verbraucher
genutzte elektrische Arbeit nach Abzug des Eigenbedarfs der Kraft-
werke und der Übertragungs- bzw. Netzverluste
11
) in Deutschland
536,8 Milliarden Kilowattstunden. Wie in der nach Angaben des
6
Vgl. Berliner Zeitung (12.03.2007)
7
Vgl. http://dip.bundestag.de/btd/16/047/1604760.pdf (22.08.2007)
8
Vgl. Handelsblatt (20.02.2007)
9
Vgl. Berliner Zeitung (19.09.2007)
10
Vgl. Berge, O. 1997, S. 4
11
Vgl. http://www.stadtwerke-sigmaringen.de/glossar/index.php?index=N&openword=
Nettostromverbrauch&glossardat=nettostromverbrauch.html (24.09.2007)
9
VDEW (Verband der Elektrizitätswirtschaft) erstellten Abbildung 1 zu
sehen ist, entfiel dabei etwa ein Viertel auf die rund 39 Millionen
Haushalte, welche 141,8 Milliarden Kilowattstunden elektrische
Energie bezogen.
12
Haushalte
26%
Handel & Gewerbe
14%
Öffentliche
Einrichtungen
8 %
Verkehr
3 %
Landwirtschaft
2 %
Industrie
47 %
Abb. 1: Anteil der Kundengruppen am Netto-Stromverbrauch in
Deutschland im Jahr 2005
Da der Anteil der Haushalte am Netto-Stromverbrauch relativ groß
ist, können Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz bei
dieser Kundengruppe insgesamt eine große Wirkung erzielen. Wird
der Stromverbrauch gesenkt, so muss auch weniger Energie bereit-
gestellt und bezahlt werden.
1.3 Anstieg des Energieverbrauchs in privaten Haus-
halten
Einer Presse-Information des Umweltbundesamtes zufolge ist der
Energieverbrauch deutscher Haushalte im Bereich Wohnen von
12
http://www.strom.de/vdew.nsf/id/DE_Haushalte_verbrauchen_mehr_als_ein_Viertel_
des_Stroms?open&l=DE&ccm=300010 (22.09.2007)
10
1995 bis 2005 um 3,5 Prozent gestiegen.
13
Dass der Verbrauch an
elektrischer Energie deutlich zugenommen hat, ist aus der nach
Angaben der Verbraucherinitiative erstellten Abbildung 2
ersichtlich.
14
110
115
120
125
130
135
140
145
1991
1993
1995
1997
1999
2001
2003
2005
Mr
d
. k
W
h
Abb. 2: Netto-Stromverbrauch der privaten Haushalte von 1991 bis 2005
Ein Grund für den steigenden Stromverbrauch ist die wachsende
Ausstattung der Haushalte mit Elektrogeräten, die zum Teil
aufwändiger und leistungsstärker sind.
15
Beispielsweise verbrauchen
Plasma-Fernsehgeräte einer im August 2006 von BUND (Bund für
Umwelt und Naturschutz Deutschland) durchgeführten Analyse
zufolge drei bis fünfmal so viel Strom wie herkömmliche Röhren-
Fernsehgeräte.
16
Hohe Umwandlungsverluste treten auch bei strom-
betriebenen Speicherheizungen und Wärmepumpen auf.
17
Daneben
sind Elektrogeräte, die im Dauerbetrieb gehalten werden, in
Deutschland für Leerlaufverluste von rund 14 Milliarden Kilowatt-
13
Vgl. http://www.umweltbundesamt.de/uba-info-presse/2006/pd06-070.htm (03.08.2007)
14
Vgl. Verbraucher Initiative, Berlin 2007, S. 5
15
Vgl. http://www.umweltbundesamt.de/uba-info-presse/2006/pd06-070.htm (03.08.2007)
16
Vgl. http://www.bund.net/lab/reddot2/pdf/bund_studie_tv_geraete_kennzeichnung.pdf
(18.10.2007)
17
Vgl. http://www.asue.de/veroff/haustech/image/teil_2_rz.pdf, S. 3 (30.08.2007)
11
stunden im Jahr verantwortlich; dadurch werden in Privathaushalten
zusammen zusätzliche Stromkosten von mehr als 2,5 Milliarden Euro
pro Jahr verursacht. Hinzu kommt noch, dass viele Haushalte mit
Geräten ausgestattet sind, die nach heutigen Maßstäben meistens
einen viel zu hohen Stromverbrauch haben. Beispielsweise
benötigen alte Kühlgeräte nicht selten das Doppelte an elektrischer
Energie gegenüber effizienteren Neugeräten.
18
Auch der Trend zu
Ein- und Zwei-Personen-Haushalten
19
spielt bei der Zunahme des
Stromverbrauchs eine wichtige Rolle. Der Energieverbrauch pro
Haushaltsmitglied ist in einem Single-Haushalt nahezu doppelt so
hoch wie in einem Drei- und Mehr-Personen-Haushalt.
20
1.4 Motive zur Einsparung elektrischer Energie
Im Folgenden wird auf Motive zur Einsparung elektrischer Energie
eingegangen, die sich im Zusammenhang mit energietechnischen
und energiewirtschaftlichen Interessen ergeben. Dabei wurde eine
Einteilung nach ökologischen, ökonomischen und ethisch-
theologischen Motiven vorgenommen.
1.4.1
Ökologische Motive
Ökologische Motive zum Einsparen elektrischer Energie betreffen die
Umwelt: Während bei der Atomenergie zusätzlich das Risiko einer
Freisetzung radioaktiver Stoffe gegeben ist, sind bei der Gewinnung
von Primärenergieträgern wie Kohle, Öl und Gas immer tiefere
Eingriffe in die Natur notwendig, da die Weltvorräte endlich sind. Die
Tier- und Pflanzenwelt wird durch Schadstoff-Emissionen, Abwärme,
Emissionen klimarelevanter Gase sowie großflächige Landschafts-
veränderungen von Energieumwandlungen beeinflusst. In ihrem
18
Vgl. http://www.energieportal24.de/fachberichte_artikel_200.htm (07.08.2007)
19
Vgl. Statistisches Bundesamt 2006, S. 34
20
Vgl. http://www.umweltbundesamt.de/uba-info-presse/2006/pd06-070.htm (03.08.2007)
12
Ausmaß können mögliche Schäden - neben Schadstoffrückhaltung
und der Nutzung von alternativen Energien - durch Reduzierung des
Energieverbrauchs begrenzt werden.
21
1.4.2
Ökonomische Motive
Im Gegensatz zu den ökologischen Motiven betreffen ökonomische
Motive die Wirtschaft: Die Förderung der heimischen Steinkohle ist
auf Subventionen angewiesen.
22
Mit Ausnahme von Braunkohle
besteht für erschöpfbare Energieträger in Deutschland eine große
Importabhängigkeit.
23
Die Volkswirtschaft wird von Störungen auf
dem Weltmarkt stark beeinträchtigt. Energiekosten belasten, neben
der gesamten Volkswirtschaft, auch jeden einzelnen Verbraucher.
Durch verminderten Energiebedarf können Kosten gesenkt werden,
was zu einer finanziellen Entlastung führt. Darüber hinaus erhöht die
Entwicklung und Einführung neuer, energiesparender Technologien
die nationale wie die internationale Konkurrenzfähigkeit. Damit ist ein
Innovationsvorsprung eine Investition in die Zukunft.
24
1.4.3
Ethisch-theologische Motive
Neben ökologischen und ökonomischen Aspekten soll an dieser
Stelle noch kurz auf ethisch-theologische Motive eingegangen
werden, welche die Moral und die Religion betreffen: Die belebte und
unbelebte Natur wird von Rohstoffgewinnung und Energie-
umwandlung beeinflusst. Ebenso wie menschliches Leben verdienen
auch tierisches und pflanzliches Leben Wertschätzung, Achtung und
Schutz. Selbst wenn unmittelbare Nachteile nicht voraussehbar sind,
sollten Eingriffe in den Haushalt der Natur nur im Sinne einer
21
Vgl. Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht 1991c
22
Vgl. http://www.gvst.de/site/steinkohle/pdf/wirtschaftlichkeit.pdf (18.10.2007)
23
Vgl. http://www.strom.de/vdew.nsf/id/DE_Versorgungssicherheit (18.10.2007)
24
Vgl. Witt, J. 2005, S. 3
13
vorausschauenden Gefahrenabschätzung und möglichst sparsam
und begrenzt vorgenommen werden.
25
1.5 Ziele der Arbeit
Elektrischer Strom wird zur Erbringung von Energiedienstleistungen
eingesetzt im privaten Haushalt unter anderem zum Waschen,
Spülen und Trocknen, Kochen, Kühlen und Gefrieren, zum
Beleuchten, sowie zum Erwärmen von Brauchwasser und Wohn-
räumen. Derselbe Nutzen kann je nach Technologie und
Verbraucherverhalten mit viel oder wenig Energie erreicht werden.
Die vorliegende Arbeit soll Maßnahmen aufzeigen, durch die in
verschiedenen Bereichen der privaten Haushalte elektrische Energie
eingespart werden kann und erläutern, wie diese im Technik-
unterricht an Allgemeinbildenden Schulen thematisiert werden
können. Da private Haushalte teilweise auch durch Nutzung von
Alternativen und Ergänzungen in der Energieversorgung den Anteil
an elektrischer Energie, der aus öffentlichen Versorgungsnetzen
bezogen werden muss, reduzieren können, wird auch auf diese kurz
eingegangen. Vorab ist eine Klärung der Begriffe erforderlich, die in
dieser Arbeit in Verbindung mit elektrischer Energie gebraucht
werden.
25
Vgl. Witt, J. 2005, S. 3
14
2. Definitionen
In diesem Kapitel erfolgt eine Definition grundlegender Begriffe aus
den Bereichen Physik und Technik, die im Zusammenhang mit
Energie verwendet werden und für das Thema der Arbeit relevant
sind.
2.1 Physikalische
Begriffe
Die folgenden physikalischen Begriffe umfassen etwa das Niveau
des neunten und zehnten Schuljahres im Bildungsgang Hauptschul-
abschluss.
2.1.1
Energie und elektrische Energie
Energie ist allgemein die Fähigkeit oder Kraft, eine Wirkung hervor-
zubringen.
26
Sie entspricht dem Produkt aus Leistung und Zeit. Eine
Erscheinungsform ist die elektrische Energie, bei der elektrische
Ladungen fließen.
27
In der Energiewirtschaft wird sie in Kilowatt-
stunden (kWh) angegeben. Eine Kilowattstunde entspricht 1000
Wattstunden (Wh); das ist beispielsweise die Energiemenge, die
benötigt wird, um 30 Liter Wasser für ein Duschbad auf 37 °C zu
erwärmen.
28
Energie kann in andere Energieformen, wie
mechanische Energie und Wärme, umgewandelt werden.
29
Alle
Energieumwandlungen bedingen Verluste an nutzbarer Energie.
30
26
Vgl. http://www.sheldrake.org/deutsche/glossar.html
27
Vgl. Brockhaus 1988, S. 368-369
28
Vgl. Umweltbundesamt, Dessau 2006, S. 5
29
Vgl. Seidel, H.-U.; Wagner, E. 1992, S. 13
30
Vgl. Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht 1991e
15
2.1.2
Strom, Spannung und Leistung
Die gerichtete Bewegung der elektrischen Ladungsträger wird als
elektrischer Strom bezeichnet.
31
Der Leiterquerschnitt begrenzt die
Stromstärke (I), die in Ampere (A) angegeben wird.
32
Sie gibt die
Anzahl der Elektronen an, die einen bestimmten Punkt des Leiters in
einer Sekunde passieren.
33
In deutschen Haushaltsstromkreisen ist
eine maximale Stromstärke von 10 bzw. 16 A üblich.
34
Die
elektrische Spannung (U) ist die treibende Kraft, welche die
Ladungsbewegung verursacht.
35
Sie wird in Volt (V) angegeben und
liegt in den europaweiten Stromnetzen bei 230 V. Das Produkt aus
Spannung und Stromstärke ist die elektrische Leistung (P), die in
Watt (W) angegeben wird.
Ein Wechselstrom, der durch eine Spule fließt, erfährt eine
Verzögerung gegenüber der Spannung; als Spulen anzusehen sind
auch Motoren und Transformatoren. Die dadurch entstehende
Phasenverschiebung hat eine Leistungsverschlechterung zur Folge,
die mit dem Leistungsfaktor cos angegeben wird. Letztlich ergibt
sich also die tatsächliche Leistung (P) aus dem Produkt von
Spannung (U), Stromstärke (A) und cos .
36
2.2 Technische
Begriffe
Im Folgenden sollen noch einige technische Begriffe aus der
Energiewirtschaft geklärt werden.
31
Vgl. Kories, R.; Schmidt-Walter, H. 2000, S. 1
32
Vgl. Humm, O.; Jehle, F. 1996, S. 25
33
Vgl. Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht 2005
34
Vgl. Humm, O.; Jehle, F. 1996, S. 25
35
Vgl. Kories, R.; Schmidt-Walter, H. 2000, S. 2
36
Vgl. Humm, O.; Jehle, F. 1996, S. 26
16
2.2.1
Primär- und Sekundärenergie
Primärenergie ist der Energieinhalt von Energieträgern, die noch
keiner Umwandlung unterworfen wurden. Im Gegensatz dazu
bezeichnet der Begriff Sekundärenergie den Energiegehalt von jenen
Energieträgern, die aus der Umwandlung von Primärenergieträgern
oder aus anderen Sekundärenergieträgern gewonnen wurde und
welche dem Verbraucher zur Umwandlung in Nutzenergie zur
Verfügung steht.
37
2.2.2
End- und Nutzenergie
Nutz- und Endenergie ist die technische Form der Energie, welche
der Verbraucher letztendlich benötigt, um eine Dienstleistung durch-
führen zu können; beispielsweise erfolgt Heizen durch Wärme,
Transportieren durch mechanische Energie und Beleuchten durch
Licht.
38
2.2.3
Wirkungs- und Nutzungsgrad
Der Wirkungsgrad ist definiert als Quotient der Nutzleistung zur
aufgebrachten Gesamtleistung.
39
Er ist ein Maß für die
Energieeffizienz und den notwendigen Ressourceneinsatz.
40
Als
Nutzungsgrad wird der Quotient aus der in einem bestimmten Zeit-
raum nutzbar abgegebenen Energie und der gesamten zugeführten
Energie bezeichnet. Die betrachteten Zeiträume können dabei
Pausen-, Leerlauf-, Anfahr- und Abfahrzeiten mit einschließen.
41
37
Vgl. Cube, H.-L. 1983, S.6
38
Vgl. Buchwald, K.; Engelhardt, W. 1995, S. 5.
39
Kories, R.; Schmidt-Walter, H. 2000, S. 10.
40
Vgl. http://www.verivox.de/News/lexikon.asp?display=keyword&keyword=
Wirkungsgrad (02.10.2007)
41
Vgl. Cube, H.-L. 1983, S. 6
17
3. Alternativen und Ergänzungen in der
Energieversorgung
Elektrische Energie kann neben technischen Möglichkeiten und
Verhaltensänderungen, die in dieser Arbeit noch ausführlich
beschrieben werden durch Nutzung von Alternativen und
Ergänzungen in der Energieversorgung eingespart werden. Dies ist
in privaten Haushalten nur bedingt möglich, da einerseits dort
bestimmte Energiedienstleistungen ausschließlich mit elektrischer
Energie erbracht werden und andererseits die Investitionskosten zur
Nutzung alternativer Energien zum Teil relativ hoch sind.
Energie kann auf verschiedenen Wegen bereitgestellt werden. Der
Begriff Energieträger bezeichnet die Stoffe und physikalischen
Erscheinungsformen der Energie, aus denen direkt oder durch eine
oder mehrere Umwandlungen Nutzenergie gewonnen werden
kann.
42
Dazu zählen einerseits als erschöpfbare Energieträger fossile
und nukleare Brennstoffe und andererseits die regenerativen
Energien auf die im Folgenden jeweils näher eingegangen wird. Sie
werden kurz hinsichtlich ihrer technischen Einsetzbarkeit, ihrer
Wirtschaftlichkeit und ihrer Umweltverträglichkeit bei der Energie-
versorgung privater Haushalte charakterisiert. Ebenso werden auch
verschiedene Technologien zur Versorgung mit Energie dargestellt.
3.1 Erschöpfbare
Energieträger
Erschöpfbare Energieträger lassen sich in fossile und nukleare
Brennstoffe unterteilen.
42
Vgl. Buchwald, K.; Engelhardt, W. 1995, S. 6
18
3.1.1
Fossile Brennstoffe
Zu den fossilen Brennstoffen gehören Steinkohle, Braunkohle, Erdöl
und Erdgas. Sie sind aus Biomasse entstanden, die - durch
Sedimentschichten von der Atmosphäre abgeschlossen - nicht
verrotten konnte und so ihre chemische Energie erhielt.
43
3.1.1.1
Technische Einsetzbarkeit
Steinkohle, Braunkohle, Erdöl und Erdgas können in privaten
Haushalten zum Heizen eingesetzt werden. Zur Stromgewinnung
sind fossile Brennstoffe mit Ausnahme der Nutzung von Anlagen
zur Kraft-Wärme-Kopplung
44
im Normalfall nur durch Verbrennung
in Kraftwerken nutzbar. Über Fernwärmeleitungen können private
Haushalte zusätzlich mit Wärmeenergie versorgt werden.
45
3.1.1.2
Wirtschaftlichkeit
Allen fossilen Energieträgern ist gemeinsam, dass sie nur in
begrenztem Maß vorhanden sind. Heimische Steinkohle ist
verglichen mit Importkohle sehr teuer und muss beträchtlich
subventioniert werden, um konkurrenzfähig zu bleiben.
46
Bei Erdöl
und Erdgas besteht eine große Importabhängigkeit.
47
Der steigende
Erdölverbrauch führt zu Preissteigerungen und Versorgungs-
engpässen.
48
Auch Erdgas ist durch Kopplung an die Ölpreis-
entwicklung von Preisschwankungen betroffen.
49
Es kann zur
Wärmegewinnung in privaten Haushalten insbesondere in
Kombination mit regenerativen Energien sinnvoll eingesetzt
werden.
50
43
Vgl. http://vademecum.brandenberger.eu/erkunden/umwelt.php (19.09.2007)
44
Vgl. Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch ,
2007c
45
Vgl. Buchwald, K.; Engelhardt, W. 1995, S. 41
46
Vgl. http://www.gvst.de/site/steinkohle/pdf/wirtschaftlichkeit.pdf (18.10.2007)
47
Vgl. Der Tagesspiegel (11.01.2007)
48
Vgl. Handelsblatt (13.09.2007)
49
Vgl. ARGE Prüfgemeinschaft 1993, S. 73
50
Vgl. Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch,
2007b, S. 10f
19
3.1.1.3
Umweltverträglichkeit
Neben dem Transport ist insbesondere die Verbrennung fossiler
Energieträger mit hohen C0
2
- und mit Ausnahme von Erdgas
auch mit hohen Schadstoff-Emissionen verbunden.
51
Der Abbau von
Kohle verursacht vor allem im Tagebau Umweltschäden. Neben
Tankerunglücken führt auch die Gewinnung von Erdöl zu enormen
Umweltbelastungen.
52
3.1.2
Nukleare Brennstoffe
Zu den nuklearen Brennstoffen gehören Uran, Plutonium und
Thorium.
53
3.1.2.1
Technische Einsetzbarkeit
Uran, Plutonium und Thorium werden zur Energiegewinnung in
Atomkraftwerken kontrolliert eingesetzt. Die durch Kernspaltung frei-
gesetzte Energie wird in elektrische Energie umgewandelt.
54
Nukleare Brennstoffe ermöglichen eine Versorgung der privaten
Haushalte mit elektrischer Energie nur auf indirektem Weg, d.h. sie
muss aus öffentlichen Versorgungsnetzen bezogen werden.
55
51
Vgl. Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht 1991c
52
Vgl. http://www.seg-ag.de/maerkte_r.php (17.09.2007)
53
Vgl. Buchwald, K.; Engelhardt, W. 1995, S. 39
54
Vgl. http://vademecum.brandenberger.eu/erkunden/umwelt.php (19.09.2007)
55
Vgl. Buchwald, K.; Engelhardt, W. 1995, S. 41
20
3.1.2.2
Wirtschaftlichkeit
Im Vergleich zu Steinkohle, Braunkohle, Erdöl und Erdgas ist die
Reichweite der Kernenergie nur dann größer, wenn die Nutzung über
den sogenannten Schnellen Brüter erfolgen würde.
56
Bei Kernkraft
ergibt sich ein großer Teil des Strompreises aus den hohen Kosten
zum Bau eines Kernkraftwerkes. Da die Brennstoffkosten nur einen
geringen Anteil an den Gesamtkosten haben, machen sich
Schwankungen des Uranpreises anders als bei den fossilen
Energieträgern kaum bemerkbar.
57
Radioaktive Abfälle stellen ein
Gefahrenpotential dar und müssen aufwändig konditioniert und
entsorgt werden. Das geringe, aber dennoch vorhandene Risiko
einer teilweisen oder gänzlichen Freisetzung der in kerntechnischen
Anlagen vorhandenen Aktivitätspotentiale ist gegenüber dem Nutzen
dieser Form der Energiegewinnung abzuwägen.
58
3.1.2.3
Umweltverträglichkeit
Bei der Gewinnung und Aufbereitung des Brennstoffs sowie bei
dessen Transport und Entsorgung treten im Verhältnis zur
umgesetzten Energiemenge gegenüber den fossilen Brennstoffen
nur geringe Mengen an CO
2
-Emissionen auf.
59
Allerdings entstehen
bei dieser Form der Energiegewinnung radioaktive Abfälle.
60
Zudem
geben kerntechnische Anlagen mit der Abluft und mit dem Abwasser
radioaktive Stoffe an die Umwelt ab, deren ionisierende Strahlen
schädliche Wirkung für Lebewesen haben können.
61
Schädigungen
des Trägers der Erbinformation von Zellen durch hohe ionisierende
Strahlung im Falle eines Reaktorunfalls sind erwiesen.
62
56
Vgl. Cube, H.-L., 1983, S. 27
57
Vgl. www.boell.de/downloads/oeko/mythos_atom_thomas.pdf (13.09.2007)
58
Vgl. Michaelis, H.; Salander, C. 1995, S. 559
59
Vgl. www.boell.de/downloads/oeko/mythos_atom_thomas.pdf (13.09.2007)
60
Vgl. Buchwald, K.; Engelhardt, W. 1995, S. 121
61
Vgl. Michaelis, H.; Salander, C. 1995, S. 559
62
Ebd. S. 574
21
3.2 Regenerative Energien
Regenerative Energien sind nach menschlichen Maßstäben
unerschöpflich.
63
In Deutschland hatten Sonnenenergie, Wind-
energie, Wasserkraft, Erdwärme und Energie aus Biomasse im Jahr
2006 zusammen einen Anteil von etwa 11 Prozent am Netto-Strom-
verbrauch.
64
Das Gesetz für den Vorrang
erneuerbarer Energien (Kurztitel: Erneuerbare-Energien-Gesetz),
das von der Bundesregierung im Jahr 2004 erlassen wurde,
verpflichtet Versorgungsunternehmen die elektrische Energie aus
erneuerbaren Energien ins Stromnetz einzuspeisen und zu einem
garantierten Preis pro Kilowattstunde abzukaufen, obwohl sie
konventionell billiger produzieren könnten.
65
3.2.1
Sonnenenergie
Alles Leben auf der Erde hängt letztlich von der Energie der Sonne
ab. Die durch sie täglich zugeführte Energiemenge ist
vieltausendfach größer als die gesamte Menschheit jährlich an
Energie verbraucht.
66
3.2.1.1
Technische Einsetzbarkeit
Die Energie aus der Strahlung der Sonne kann durch Sonnenzellen
(Photovoltaik), die an Wohngebäuden angebracht werden können, in
elektrische Energie umgewandelt werden. Über Sonnenkollektoren
(Solarthermie) ist auch eine direkte Nutzung der Sonnenenergie zum
Heizen bzw. zur Brauchwassererwärmung möglich.
67
Solar-
63
Vgl. http://vademecum.brandenberger.eu/erkunden/umwelt.php (19.09.2007)
64
Vgl. http://www.energieverbraucher.de/index.php?itid=510&st_id=510&dictionary_
no=1 (18.10.2007)
65
Vgl. http://www.gesetze-im-internet.de/eeg_2004/index.html (24.09.2007)
66
Vgl. FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht 1991d
67
Vgl. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit Referat
Öffentlichkeitsarbeit, Berlin 2004, S. 126
22
thermische Kraftwerke können private Haushalte auf indirektem Weg
mit elektrischer Energie versorgen.
68
3.2.1.2
Wirtschaftlichkeit
Die Nutzung der Sonnenenergie ist unabhängig von Brennstoffen
und deren Preisentwicklung; es ergeben sich ausschließlich
Investitions- und Wartungskosten.
69
Das Angebot an Sonnenenergie
ist allerdings an das Tageslicht gebunden und daher schwankend;
zusätzlich ist steuerbare Reserveenergie erforderlich.
70
Die
Tageszeit- und Wetterschwankungen lassen sich bei der
Solarwärmenutzung mittlerweile durch Wärmespeichertechniken
weitgehend ausgleichen. Eine langfristige Speicherung von Wärme
vom Sommer zum Winter ist trotz der thermischen Verluste technisch
möglich, scheitert zur Zeit aber an der Wirtschaftlichkeit, da dazu die
Brennstoffpreise nicht hoch genug sind.
71
3.2.1.3
Umweltverträglichkeit
Der Betrieb von Anlagen zur Nutzung der Sonnenenergie ist CO
2
-
und schadstofffrei.
72
3.2.2
Windenergie
Als Windenergie wird die Bewegungsenergie von Luftmassen
bezeichnet.
73
68
Vgl. Kleemann, M.; Meliß, M. 1993, S. 123
69
Vgl. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit Referat
Öffentlichkeitsarbeit, Berlin 2004, S. 35
70
Vgl. http://www.axpo.ch/internet/axpo/de/medien/perspektiven/stromerzeugung/
photovoltaik.html (02.09.2007)
71
Vgl. http://www.solarserver.de/lexikon/latentwaermespeicher.html (22.09.2007)
72
Vgl. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit Referat
Öffentlichkeitsarbeit, Berlin 2004, S. 20
73
Vgl. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit Referat
Öffentlichkeitsarbeit, Berlin 2004, S. 23
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