Aufgaben zum elektrischen Energietransport - Lösungen

1) Energiehunger

Alle Lebewesen und alle Maschinen brauchen Energie.

Ein Mensch braucht ohne jede körperliche Anstrengung etwa 7 MegaJoule Energie am Tag. Das nennt man auch den "Grundumsatz". Bei leichter Anstrengung etwa 10-13 MegaJoule pro Tag. Die genaue Energiemenge hängt vom Körpergewicht, vom Geschlecht und weiteren Faktoren ab.

Körperlich schwer arbeitende Menschen brauchen bis zu 20 MegaJoule pro Tag und Leistungssportler an einzelnen Tagen bis zu 50 MegaJoule Energie pro Tag!

• Vergleiche den Energiebedarf des Menschen mit diesen Maschinen:

1. Laptop: 30 Watt
2. Desktop: 120 Watt
3. Auto: 83 KiloWatt

Um den Energiebedarf zu vergleichen muss man die Leistung, also die Energie pro Zeit berechnen:

• Grundumsatz eines Menschen:

[math]P=\frac{E}{t}=\frac{7000000\,\rm J}{1\,\rm d}=\frac{7000000\,\rm J}{24\cdot 60 \cdot 60\,\rm s}=\frac{7000000\,\rm J}{86400\,\rm s}=81\,\rm\frac{J}{s}=81\,\rm W[/math]

• Gesamtumsatz bei leichter Anstrengung:

[math]P=\frac{E}{t}=\frac{10000000\,\rm J}{1\,\rm d}=\frac{10000000\,\rm J}{86400\,\rm s}=116\,\rm W[/math]

• Gesamtumsatz bei schwerer körperlicher Arbeit:

[math]P=\frac{E}{t}=\frac{20000000\,\rm J}{1\,\rm d}=\frac{20000000\,\rm J}{86400\,\rm s}=231\,\rm W[/math]

Ein Mensch hat ungefähr den gleichen Energiebedarf wie ein Computer.
Ein Auto braucht in etwa genauso viel Energie wie tausend Menschen!

2) Die Stromrechnung

Ausschnitt einer Stromrechnung.

Das Elektrizitätswerk liefert Energie mit dem elektrischen Strom nach Hause. Dafür läßt sich der Betreiber natürlich bezahlen.

Eine Lampe hat eine Leistung von 11 Watt.

a) Wieviel Energie benötigt sie in der Sekunde, in der Minute und in einer Stunde? Die Leistung ist die Energiestromstärke, also Energie pro Zeit: [math]P=\frac{E}{t} = 11\,\rm W[/math] Daraus folgt für die Energiemenge: In einer Sekunde: [math]E=P\,t = 11\,\rm W \cdot 1\,\rm s = 11\,\rm J[/math] In einer Minute: [math]E=11\,\rm W \cdot 60\,\rm s = 660\,\rm J[/math] In einer Stunde: [math]E = 11\,\rm W \cdot 3600\,\rm s = 39600\,\rm J[/math]

Merkregel für die Leistung

In der Stromrechnung wird die Energiemenge nicht in Joule, sondern in "KiloWattStunden" (kWh) angegeben. Mit einer KiloWattStunde Energie kann man ein elektrisches Gerät mit einer Leistung von 1000 Watt eine Stunde lang betreiben.

b) Wieviel Joule entspricht einer KiloWattStunde?

Das berechnet man genauso wie bei der 11-Watt-Lampe:

[math]E=P\,t = 1000\,\rm W \cdot 3600\,\rm s = 3600000\,\rm J = 3600\,\rm kJ = 3{,}6\,\rm MJ[/math]

Zum Vergleich: Mit einer Tafel Schokolade nimmt man ca. [math]2500\,\rm kJ=2{,}5\,\rm MJ[/math] Energie zu sich und ein Liter Benzin enthält etwa [math]30.000\,\rm kJ = 30 \,\rm MJ[/math] Energie.

Die für ein Gerät benötigte Energie in KiloWattStunden kann man ganz einfach ausrechnen. Wenn man zum Beispiel ein Staubsauger mit einer Leistung von 1200 Watt 30 Minuten lang betreiben will, rechnet man:

[math]\text{Energie} = \text{Leistung (in kW)} \cdot \text{Zeit (in h)}[/math]

[math]\text{Energie} = 1{,}2\,\rm kW \cdot 0{,}5\,\rm h = 0{,}6\,\rm kWh[/math]

In dieser Tabelle hat Angela aufgeschrieben, welche Geräte sie am Tag wie lange benutzt. Ihr Elektrizitätswerk berechnet ihr 27 Cent pro KiloWattStunde. Berechne für sie ihren jährlichen Energiebedarf und die Kosten.

Gerät	Leistung	Zeitdauer	Energiemenge (in kWh)	Kosten (in €)
Computer	80 W	3 h	0,24 kWh	0,0648 €
Radio	10 W	2 h	0,02 kWh	0,0054 €
Fön	1500 W	[math]15\,\rm min = 0{,}25\,\rm h[/math]	0,3 kWh	0,081 €
Elektroherd	2500 W	1 h	2,5 kWh	0,675 €
Waschmaschine	1000 W	1 h	1 kWh	0,27 €
Einige Lampen	40 W	3 h	0,12 kWh	0,0342 €
Am Tag			4,34 kWh	1,17 €
Im Monat			130,2 kWh	35,15 €
Im Jahr			1584 kWh	427,70 €

3) Lampen im Auto und zu Hause

Merkregel

Neuere LED-Lampen haben zu Hause und in Automobilen Einzug gehalten. Ein 12-Watt-LED-Autoscheinwerfer ist genauso hell wie eine 12-Watt-LED-Lampe zu Hause. Die Elektrik im Auto wird mit einer Spannung von 12 Volt angetrieben, zu Hause beträgt die Netzspannung 230 Volt.

Vergleiche die Stromstärken der beiden Lampen.

Die "Watt-Zahl" gibt die Leistung der Geräte, also die Energiestromstärke an. Die Energiestromstärke ist die Stromstärke mal Beladungsmaß:

[math]P=U\,I[/math]

Das kann man nach der Stromstärke auflösen:

Im Auto: [math]I=\frac{P}{U}= \frac{12\,\rm W}{12\,\rm V}= 1\,\rm A[/math]

Zu Hause: [math]I=\frac{P}{U}= \frac{12\,\rm W}{230\,\rm V}= 0{,}052\,\rm A = 52\,\rm mA[/math]

Die Stromstärke ist im Auto viel größer, weil dort ein Coulomb Ladung nur 12 Joule Energie transportiert im Vergleich zu 230 Joule pro Coulomb "aus der Steckdose".

4) Sicherungen

Sicherungskasten einer Wohnung

In Wohnungen ist jeder Raum über eine Sicherung an das Stromnetz angeschlossen. Die maximale Stromstärke beträgt häufig 16 Ampère.

a) Welche dieser Geräte kann man gleichzeitig in der Küche betreiben?

1. Wasserkocher 2000W
2. Staubsauger 2400W
3. Radio 20W
4. Lampe 10W
5. Mixer 1600W

Sicherungskasten eines Autos. Die Sicherungen sind mit der maximalen Stromstärke in Ampère beschriftet.

Auch in Autos sind Sicherungen verbaut, um die Kabel vor Überhitzung zu schützen. Anders als in der Wohnung sind dies einfache Schmelzsicherungen, die bei zu großer Stromstärke einfach durchschmelzen und dann ersetzt werden müssen.

Beim Starten wird der Verbrennungsmotor von einem Elektromotor, dem "Anlasser", gedreht. Der Anlasser hat eine Leistung zwischen einem und zwei KiloWatt und bekommt seine Energie aus der Auto-Batterie, die eine Spannung von 12 Volt hat.

b) Der Anlasser ist ohne Sicherung direkt an die Batterie angeschlossen. Warum wohl?

5) Batterien und Akkus als Energiespeicher

Ein Bleiakkumulator für's Auto ("Auto-Batterie")

So wird sie eingebaut.

Aus Versehen läßt Peter das Licht über Nacht an seinem geparkten Auto an.

a) Warum kann das zu einem Problem werden?

An Peters Auto sind zwei Frontscheinwerfer mit je 12 Watt und zwei Rücklichter mit je 3 Watt.

b) Wieviel Strom fließt durch die Lampen und wieviel durch die Batterie?

Die Frage ist nun, ob am nächsten Morgen die Batterie "leer" ist, also keine Energie mehr enthält.

Auf Batterien ist angegeben "wie groß" sie sind. Bei Peters Autobatterie findet sich zum Beispiel die Aufschrift 12V/44Ah. Das bedeutet, dass die Batterie 44 Stunden lang einen Strom der Stärke 1 Ampère antreiben kann. Oder 22 Stunden lang einen Strom der Stärke 2 Ampère.

a) Wie lange kann man mit dieser Batterie eine 12-Watt-Lampe betreiben?

b) Wieviel Coulomb Ladung hat die Batterie dabei verschoben?

c) Wieviel Joule Energie hat die Batterie dabei der Lampe geliefert?

d) Wie lange kann die Batterie also die beiden Scheinwerfer und die Rückleuchten gleichzeitig betreiben?

Auf Batterien und Akkus findet man die Angabe der sogennannten "Kapazität". Diese gibt an, wieviel Ladung die Batterie verschieben kann:

1. Smartphone: 3,7V / 1300mAh
2. Laptop: 10,95V / 7100mAh
3. Bohrschrauber: 12V / 1200mAh
4. AA-Mignon: 1,2V / 2000mAh
5. älteres Motorrad: 6V / 4Ah

e) Berechne, wieviel Ladung die Batterien anschieben können und wieviel Energie dabei transportiert wird.

Ein Liter Benzin enthält ca. 40 MegaJoule Energie und in den Tank eines Autos passen ca. 50 Liter.

f) Wieviele Laptop-Akkus können den vollen Benzintank ersetzen?

6) Teure und billige Energie

Energie kann man mit ganz verschiedenen Energieträgern kaufen. Die Heizung zum Beispiel kann man mit Heizöl, Gas, Holz-Pellets, elektrisch oder mit Fernwärme betreiben. Das Auto bekommt die Energie mit Benzin und eine Taschenlampe mit einer Batterie. Mit welchem Energieträger ist die Energie denn am billigsten?

Energieträger	Trägermenge	Kosten pro Träger	Energiebeladung (Heizwert)	Kosten pro Energie (in €/MJ)
Benzin	1 Liter	1,30 €	30 MJ/l
Heizöl	1 Liter	0,50 €	35 MJ/l
Erdgas (Haushalt)	1 [math]m^3[/math]	0,50 €	3 [math]\rm MJ/m^3[/math]
Holz-Pellets	1000 kg	230 €	14 MJ/kg
"Strom"	100.000 Coulomb	1,73 €	230 J/C
Batterie	AAA-Mignon 2300mAh	0,50 €	1,5 V