Wenn wir von Energie, Energieverbrauch, Energiesparen reden und schreiben, dann ist immer wieder von Kilowattstunden die Rede. Aber wieviel ist eigentlich eine Kilowattstunde?
Eine Kilowattstunde (kWh) aus eigener Kraft zu erzeugen ist gar nicht so einfach.
Sie setzen sich in ihrem Fitnessstudio auf einen Fahrradergometer und treten so stark, dass die Wattanzeige auf 100 Watt steht.
Die Leistung von 100 Watt liegt zwar weit unter dem, was als optimale Trainingseinheit gilt [1] vereinfacht aber die Berechnung der Beispiele.
Wikipedia schreibt: „… wird die Dauerleistung eines erwachsenen, durchschnittlich großen Menschen mit 0,14 PS (100 Watt) angegeben, wobei auch hier bei entsprechendem Training durchaus über eine Stunde 440 Watt und 6 Sekunden lang 910 Watt (entspricht etwa 1,2 PS) möglich sind“ [2].
Bei einer Leistung von 100 Watt auf einem Fahrrad erreichen Sie in der Ebene, ohne Wind, eine Geschwindigkeit von ca. 20 km/h [3].
Auf dem Ergometer sitzend verstehen Sie den Unterschied von Leistung und Energie sehr gut. Leistung ist das, was Sie unter Kraftaufwand auf die Pedale bringen. Ist an dem Ergometer ein kleiner Generator befestigt, so können Sie Energie erzeugen und in einer Batterie speichern. Erzeugen Sie mit diesem Generator 100 Watt Strom und treten Sie 1 Stunde lang, so wird in der Batterie 100 Watt Stunden Energie abgespeichert sein. Die körperliche Leistung von 100 Watt mal die Anzahl der Stunden ist die abgespeicherte Energie. Würden Sie 10 Stunden auf dem Ergometer mit 100 Watt trainieren, so würden 100 Watt mal 10 Stunden ist 1000 Wattstunden, oder 1 Kilowattstunde (kWh) Energie als Strom erzeugen. Das ist ganz schön anstrengend!
In einem Liter Benzin sind ca.10 kWh Energie gespeichert [4]. Das wären 100 Stunden auf dem Ergometer bzw. 2000 Fahrradkilometer! Ein Auto kommt mit 1 Liter Benzin nur ca. 20 km weit bei einem Verbrauch von 5l pro 100 km.
Kurzum: Um 1 kWh Strom aus eigener Kraft zu erzeugen, müssten Sie 10 Stunden mit 100 Watt auf einem Ergometer trainieren. Aber in 10 Stunden auf einem Fahrrad (100 Watt Leistung ist 20 km/h, siehe oben) könnten Sie schon 200 km Strecke zurücklegen.
Mit 1 kWh können Sie also 200 km Fahrrad oder rund 2 km Auto fahren.
Vorteile des Fahrradfahrens
In der Stadt fahren Sie mit dem Auto eine Durchschnittsgeschwindigkeit von ca. 30 km/h, mit dem Fahrrad vielleicht 10-15 km/h. Sie brauchen mit dem Fahrrad in der Stadt ca. die doppelte Zeit um ihr Ziel zu erreichen und haben keine Parkprobleme. Aber der Energieaufwand ist nur ein Hundertstel. Sie sparen sich natürlich auch das Ergometertraining im Fitnessstudio.
Energie-Avatare
Eine interessante Frage ist: Könnten wir theoretisch den gesamten Energieverbrauch Österreichs durch eigene Körperkraft erzeugen?
Jeder Österreicher würde jeden Tag 24 Stunden auf einem Fahrradergometer sitzen und permanent 100 Watt Strom erzeugen.
Das wären 100 Watt mal 24 mal 365 Stunden. Das sind 876 kWh pro Person. Das ist nicht besonders viel, das entspricht ungefähr 88 Liter Benzin pro Person.
Österreich mit ca. 9 Mio Einwohner könnte auf diese Art 7,83 TWh (Terawattstunden) erzeugen (siehe Berechnungen). Der tatsächliche Primärenergieverbrauch liegt bei 395,1 TWh.
Das ist 50 mal so viel. In anderen Worten: Es müssten pro Einwohner 50 virtuelle Menschen auf dem Fahrradergometer Energie erzeugen. Diese Energiesklaven [5], oder besser Energie-Avatare (Wortschöpfung des Verfassers) müssten Tag und Nacht ohne Unterbrechung arbeiten.
In Deutschland wären 47, in USA 91 Energie-Avatare nötig.
Ghana, ein Land mit sehr geringem pro Kopf CO2 Ausstoß benötigt nur 5 Energie-Avatare, siehe Berechnungen.
Der Weltdurchschnitt liegt bei 22 Avataren.
Was können Sie mit einer Kilowattstunde machen?
- 2 Ladungen Wäsche waschen in einer Waschmaschine der Effizienzklasse B oder
- 1 Ladung bei Effizienzklasse G [6]
- ein Mittagessen kochen für 4 Personen, ca. 1 – 1,5 kWh [7]
- 1 Kuchen backen (bei 1 Stunde Backzeit und 1000 Watt Leistung des Ofens)
- eine 15 Watt LED Lampe 67 Stunden leuchten lassen
- 60 Minuten absaugen (1000 Watt Leistung des Staubsaugers)
- 40 Minuten föhnen (1500 Watt Leistung des Föhns)
- 3 Minuten lang duschen (siehe Berechnung)
- 72 Sekunden mit dem Auto bei 100 km/h fahren. In dieser Zeit legen Sie die oben berechneten 2 km zurück.
Wenn Sie Heizung sparen wollen, dann laden Sie am besten ihre Freunde nach Hause ein.
Der Grundumsatz eines Menschen ist ungefähr 2000 kcal pro Tag [8], das wären 2,4 kWh pro Tag, da 1 kWh 860 kcal entspricht [9].
Die durch Nahrung aufgenommene Energie wird hauptsächlich als Wärme abgegeben. Bei 2,4 kWh Grundumsatz werden pro Stunde ca. 100 W Wärmeleistung pro Person abgegeben.
Laden Sie zehn Freunde zu sich ein, dann haben sie schon eine Heizleistung von 1 kW.
Schenken Sie nach 1 Stunde 2 Liter Bier an ihre 10 Freunde aus, also jeder bekommt 200 ml, dann wird der Energieverlust des Körpers durch 1 Stunde Wärmerzeugung gut kompensiert. Denn die 2 Liter Bier enthalten ca. 860 kcal bzw. 1 kWh an Energie [10]. Ob sich ihre Gäste mit so wenig Bier zufrieden geben, ist eine ganz andere Frage.
Tagesausflug
Fahren Sie während eines Tagesausflugs 100 km mit dem Rad so würden Sie eine halbe kWh an Energie verbrauchen. Das könnten Sie bei einem Burger mit 200 g Rinderhackfleisch (300 kcal [11]) gut ausgleichen. Diese Menge Hackfleisch hat einen CO2 Fußabdruck von ungefähr 2,7 kg CO2 Äquivalente [12], das entspricht einer Autofahrt von 20 km (bei 125g CO2 pro km). Sie wären also nur ca. 80 km „umweltfreundlich“ gefahren.
Wenn Sie noch mehr Heizung sparen wollen, dann laden Sie am besten ihre Freunde in ein gut wärmegedämmtes Haus ein.
Sie feiern ihre Party in einem Haus mit 140 m² Fläche, Baujahr 1976. Der Energieverbrauch pro Jahr liegt bei 28.000 kWh pro Jahr.
In den 4 Wintermonaten wird im Durchschnitt alle 6 Minuten 1 kWh Wärmeenergie verbraten. In einem Passivhaus gleicher Fläche dagegen, mit einem Verbrauch von 2100 kWh pro Jahr dauert es 80 Minuten bis 1 kWh verbraucht ist (siehe Berechnungen).
Das Passivhaus spart in diesem Beispiel ca. 2600 Liter Öl pro Jahr. Wenn nur die Sanierungskosten nicht wären ……..
Die Kilowattstunde in der virtuellen Welt
Mit einer kWh können sie
– 16,6 Gigabyte im Internet übertragen, da Jedes Gigabyte Datenverkehr 0,06
Kilowattstunden verbraucht [13]
– 5,5 Stunden Netflix bei Full-HD Auflösung streamen. Dabei werden
pro Stunde ca. drei Gigabyte Daten verbraucht [13]
– 3300 Suchanfragen bei Google eingeben. Entsprechend den Informationen von Google aus dem Jahr 2011 verbraucht eine Suche 0,3 Wattstunden. [14]
Aber die Menge macht es: Die Rechenzentren weltweit verursachen so viel CO2 – Emissionen wie der Flugverkehr [14]
Die Speicherung einer Kilowattstunde ist aufwendig
1 kWh kann gespeichert werden in
- 25 kg Bleiakkumulator einer Starterbatterie [15]
- 6 kg Lithium-Ionen Akku, bei 170 Wh/kg Energiedichte [16]
- 1,5-3 kg mit zukünftiger Batterietechnologien mit bis zu 800 Wh/kg Energiedichte [17]
- 100 g Öl als chemische Energie
Der Energieverbrauch der Welt
Die Erde bei Nacht (1994/95; Kompositaufnahme aus Satellitenbildern) (Foto: NASA, Public Domain)
Das Bild „Die Erde bei Nacht“ zeigt deutlich in welchen Regionen die meiste Energie verbraucht wird.
Der gesamte Primärenergieverbrauch der Welt (2020) liegt bei 557,10 Exajoules,
bzw. 154,7 Petawattstunden (PWh). Das wären 53 kWh Verbrauch pro Person und Tag (siehe Berechnungen Energie-Avatare)
Könnte der Weltenergieverbrauch auch regenerativ erzeugt werden?
– ja, 1 Prozent der weltweiten Agrarflächen, mit Agro-PV bestückt, reichen dafür aus [18]. Agro-Photovoltaik (oder auch Agri-PV) bezeichnet die Doppelnutzung von landwirtschaftlichen Flächen für die Agrarproduktion und die Stromerzeugung durch Photovoltaikanlagen
– ja, wenn auf den Flächen aller geeigneten Dächer Photovoltaikanlagen installiert wären [19] und [20]
– ja, denn mit der heutigen Technologie können wir theoretisch 6.700 PWh pro Jahr aus Sonnen- und Windenergie gewinnen [21]
Das sind gute Nachrichten!
Aber: Die beste Kilowattstunde ist die, die wir nicht verbrauchen!
Berechnungen zu den Energie-Avataren
1.000 Watt-Stunden sind 1 kWh
1.000 Kilowattstunden sind 1 Megawattstunde (MWh)
1.000 Megawattstunden sind 1 Gigawattstunde (GWh)
1.000 Gigawattstunden sind 1 Terawattstunde (TWh)
1.000 Terawattstunden sind 1 Petawattstunde (PWh)
Die theoretische Stromerzeugung eines Menschen pro Jahr sind 100 Watt mal 24 mal 365 Stunden. Das sind 876 kWh bzw. 0,876 MWh pro Person.
1.000 Menschen würden 0,876 GWh
1 Millionen Menschen 0,876 TWh
1 Milliarde Menschen 0,876 PWh
mit dem Ergometer erzeugen.
Österreich mit 8.932.664 Einwohner [22] könnte 7,83 TWh mit dem Ergometer erzeugen.
Ist Verbrauch: 395,1 TWh (2018) [23]
Faktor: 50 mal so viel
Deutschland:
Einwohner: 83.129.285 [24]
Ergometer: 72,8 TWh
Ist Verbrauch: 3.387 TWh [25]
Faktor: 46,5
USA:
Einwohner: 331.449.281 (2020) [26]
Ergometer: 290,3 TWh
Ist Verbrauch: 2.273 Millionen Tonnen Öl Einheiten (2016), 1 Mtoe = 11,63 Twh [27]
daher ist der Verbrauch 2016: 26.435 Twh [28]
Faktor: 91
Ghana:
Einwohner: 30,79 Mio 2021 [29]
Ergometer: 27,0 TWh
Ist Verbrauch: 332 kg Öleinheiten je Einwohner in 2014 [30]
0,332 t x 30.790.000 ist 10.222.280 t Rohöleinheiten. Einheiten 1 Mtoe = 11,63 TWh, daher ist der Verbrauch 2016: 119 TWh
Faktor: 4,4 (bezogen auf Verbrauch von 2014)
Welt
Einwohner: 7,967 Milliarden [31]
Ergometer: 6,98 PWh
Ist Verbrauch: 557,10 Exajoules [32]. Das sind 154,7 Pwh. Umrechnung siehe [33]
Faktor: 22,1
22,1×100 Watt x 24 Stunden ergibt 53 kWh. Das ist der durchschnittliche Energieverbrauch pro Person und Tag
Berechnung zum Duschen
Duschkopf: Wasserverbrauch 10 Liter pro Minute.
1 Liter Wasser von 10 °C auf 40 °C zu erwärmen, erfordert eine Energiemenge von 0,035 kWh.
Berechnung: Man muss einem Kilogramm (1Liter) Wasser eine Energie von 4,2 kJ zuführen, um es um 1 Grad (Kelvin) zu erwärmen [34].
Zugeführte Energie: 1 Liter x 4,2 kJ x 30 (Grad Temperaturdifferenz)
= 126 kJ = 126/3.600 kWh = 0,035 kWh, da 1 kWh 3.600 kJ hat.
Pro Minute (bei 10 L Wasserverbrauch) werden 0,35 kWh verbraucht, in 3 Minuten 1 kWh
Berechnungen zur Wärmeverbrauch
Baujahr bis 1977: 200kWh * 140 m² = 28.000 kWh pro Jahr
Passivhaus: 15 kWh * 140 m² = 2.100 kWh pro Jahr [35].
Die 28.000 kWh pro Jahr werden in 4 Wintermonaten verbraucht.
Das sind 7.000 kWh Monat oder 233 kWh pro Tag. Das wären ca. 10 kWh pro Stunde. Daraus folgt alle 6 min 1 kWh.
Das Passivhaus verbraucht 13,3 mal weniger Energie pro Jahr. Damit verlängert sich die Zeit auf 6 x 13,3 min, das sind 80 Minuten.
Gesichtet: Simon Probst
Titelbild: Claus Ableiter CC BY-SA via Wikimedia
[1] https://www.cross-heimtrainer.de/ergometer-training-welche-wattleistung/
[2] https://de.wikipedia.org/wiki/Pferdest%C3%A4rke
[3] https://www.sailpics.de/fahrradergometer-wieviel-watt-sollte-man-schaffen/
[4] https://de.wikipedia.org/wiki/Kraftstoff
[5] https://de.wikipedia.org/wiki/Energiesklave
[7] https://www.evgreiz.de/service/energiespartipps/energiespar-fibel/
[8] https://www.gesundheit.gv.at/leben/ernaehrung/info/grundumsatz
[9] https://www.einheiten-umrechnen.de/einheiten-rechner.php?typ=energie
[10] https://www.kalorientabelle.net/kalorien/bier
[11] https://www.kalorientabelle.net/kalorien/fleisch
[12] www.co2spiegel.de/heidelberg/co2_spiegel.pdf
[13] https://www.quarks.de/technik/energie/so-viel-energie-verbraucht-das-internet/
[14] https://www.spektrum.de/news/das-internet-verbraucht-so-viel-energie-wie-der-flugverkehr/1693692
[15] https://de.wikipedia.org/wiki/Energiedichte
[16] https://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0810281.htm
[17] https://www.jh-profishop.de/profi-guide/lithium-ionen-akku-energiedichte/
[18] https://www.nature.com/articles/s41598-019-47803-3
[19] https://www.enercity.de/magazin/unsere-welt/studie-weltweites-pv-potenzial
[20] https://www.nature.com/articles/s41467-021-25720-2
[21] https://carbontracker.org/reports/the-skys-the-limit-solar-wind/
[22] https://de.wikipedia.org/wiki/%C3%96sterreich
[23] https://de.wikipedia.org/wiki/%C3%96sterreichische_Energiewirtschaft
[24] https://de.wikipedia.org/wiki/Deutschland
[25] https://www.solarify.eu/2022/01/21/552-2021-verbrauchte-deutschland-3-387-twh/
[26] https://de.wikipedia.org/wiki/Vereinigte_Staaten
[27] https://de.wikipedia.org/wiki/%C3%96leinheit
[28] https://de.wikipedia.org/wiki/Liste_der_Staaten_mit_dem_h%C3%B6chsten_Energieverbrauch
[29] https://de.wikipedia.org/wiki/Ghana
[31] https://countrymeters.info/de/World
[33] https://www.einheiten-umrechnen.de/einheiten-rechner.php?typ=energie
[34] https://de.wikipedia.org/wiki/Spezifische_W%C3%A4rmekapazit%C3%A4t
[35] https://www.effizienzhaus-online.de/energieverbrauch-haus/
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