Elektrische Energie

Elektrische Energie umgibt uns, wo wir gehen und stehen – im Arbeitsalltag, zu Hause und dank moderner Technologien auch unterwegs. Der folgende Beitrag erklärt, was elektrische Energie eigentlich ist, stellt die Formel zur Berechnung elektrischer Energie vor und zeigt, warum elektrische Energie so wichtig ist.

Elektrische Energie Definition

Was ist elektrische Energie einfach erklärt? Bei elektrischer Energie handelt es sich um eine von vielen Energieformen, die auf der gleichen Stufe wie mechanische, chemische, magnetische, thermische und Kernenergie angesiedelt ist.^[1] Elektrische Energie wird mit Hilfe von Elektrizität übertragen, kann aber auch in speziellen elektrischen Feldern gespeichert werden. Im Grunde handelt es sich bei elektrischer Energie also um eine Fähigkeit des elektrischen Stroms. Erst durch sie wird mechanisches Arbeiten, das Erzeugen von Wärme oder das Aussenden von Licht möglich.^[1]

Elektrische Energie lässt sich in elektrischen und magnetischen Feldern speichern und kann in andere Energieformen umgewandelt werden. Diese Tatsache macht man sich zum Beispiel bei der Brennstoffzellen-Technologie zunutze. Für elektrische Energie verwendet man das Formelzeichen E und die Einheit Wattsekunde (Ws). Ein Watt entspricht einem Joule (Js).^[3]

Entdeckung der elektrischen Energie

Wer hat die elektrische Energie entdeckt? Schon in der Antike entdeckten die Menschen die Existenz geladener Teilchen, beziehungsweise die Phänomene, die diese verursachen. Thales von Milet, der um 624 v. Chr. geboren wurde, stellte fest, dass Bernstein (griechisch ""elektron"") bei Reibung kleine Teilchen anzieht. Auf der Oberfläche des Bernsteins sammeln sich kleine geladene Teilchen, die dann wiederum andere Teilchen anziehen.

Danach dauerte es noch recht lange, bis man lernte, diese Teilchen technisch zu nutzen und einen kontinuierlichen Elektronenfluss zu erzeugen. Die erste funktionierende Batterie erfand Alessandro Volta um 1775. Ähnlich wie bei der heutigen Wasserstoff-Brennstoffzelle und der Direktmethanol-Brennstoffzelle erzeugte diese erste Batterie Strom durch chemische Reaktionen. Aufgrund seiner Erfindung wurde Volta zum Namensgeber der Einheit der elektrischen Spannung, dem Volt.

Die Voraussetzung für den Bau von Generatoren schuf André Marie Ampère. Er entdeckte den Zusammenhang zwischen Strom und Magnetismus – und war der Erste, der Strom und Spannung mit mathematischen Gleichungen beschrieb. Damit legte er den Grundstein für den Betrieb von Generatoren in Stromkraftwerken. Diese wurden um das Jahr 1866 von Werner Siemens entwickelt. Die sogenannte Dynamomaschine konnte Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandeln. Egal, ob es sich um Kohle-, Wind-, Wasser-, oder Atomkraftwerke handelt – noch heute werden Generatoren bei der Stromerzeugung eingesetzt.^[4]

Erzeugung elektrischer Energie

Erst durch die Nutzung anderer Energiequellen erhält man elektrische Energie, beziehungsweise elektrischen Strom. Sie wird also nicht aus dem Nichts erzeugt, sondern entsteht durch das Umwandeln einer Energieform in eine andere. So benennt man Kraftwerke nach der Energieform, mit der ein Generator in Bewegung gesetzt wird und mit deren Hilfe elektrischer Strom entsteht. Aus diesem Grund unterscheidet man zwischen Wasser- und Windkraftwerken, Solaranlagen, Biomasse-Kraftwerken, Kohle- oder Gasturbinenkraftwerken, Kernenergieanlagen und einigen anderen Arten.

Größere Mengen an Strom beziehungsweise elektrischer Energie entstehen also in Kraftwerken. Aber auch ein kleiner Dynamo, beispielsweise am Fahrrad, kann auf ähnliche Art und Weise elektrische Energie produzieren. Bewegt sich das Fahrrad, dreht sich ein Permanentmagnet in einer Induktionsspule. Es entsteht ein Stromfluss, der die Lampe leuchten lässt.

Welcher Prozess genau nötig wird, um Strom zu erzeugen, unterscheidet sich je nach Energieerzeuger. Nutzt man beispielsweise Wasser als Energieerzeuger, kommt man ganz ohne Verbrennungsprozesse aus. Hierbei werden die Turbinen durch die reine Bewegungsenergie eines fließenden Gewässers angetrieben. Diese Energie treibt außerdem den Generator an, woraufhin sie in elektrischen Strom umgewandelt wird.^[5]

Elektrische Energie Funktion

Obwohl Elektrizität für den Menschen unsichtbar ist, besteht einfach alles um uns herum aus kleinen Teilchen, den Atomen. Atome verfügen über einen Atomkern, der von kleinen Elektronen umgeben ist. Diese Teilchen bilden die Grundlage für elektrischen Strom und sind sehr, sehr klein. Sie sind positiv oder negativ geladen und erzeugen durch ihre Ladung elektrische Felder. Bewegen sich die Teilchen in eine Richtung, wird fließender Strom erzeugt.^[6]

Elektrische Energie Beispiele

Wie und wo wird die elektrische Energie genutzt? Dank elektrischer Energie haben wir Licht in unseren Häusern, er lässt aber auch die Blitze während eines Gewitters entstehen. Der in den Kraftwerken erzeugte Strom wird anschließend ins Stromleitungssystem eingespeist. Schließt man dann ein Gerät ans Stromnetz an und schaltet es ein, ist der Stromkreis geschlossen und der Strom fließt. Neben dem fließenden Strom gibt es elektrische Energie, die in Batterien gespeichert wird. Diese liefern nicht nur Strom für Uhren, Taschenlampen oder elektronisches Spielzeug, sondern sogar für Autos.

Ob beim Laden des Smartphones, oder beim Surfen im Internet – elektrische Energie ist enorm wichtig und aus unserem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Strom lässt überlebenswichtige Geräte wie den Kühlschrank und den Herd laufen und versorgt unsere Unterhaltungssysteme wie Fernseher und Computer mit elektrischer Energie. Er lässt sogar Züge und U-Bahnen fahren. Gäbe es keinen Strom, könnten wir etliche industrielle Produkte nicht herstellen und viele Patienten nicht behandeln. Die Forschung und die elektronischen Möglichkeiten im medizinischen Bereich wären ohne die Elektrizität sehr beschränkt.^[4]

Elektrische Energie bestimmt auch unseren Informationsfluss. Digitale Geräte wie z.B. Smartphones, Tablets und Laptops werden mit elektrischer Energie betrieben. Würde diese wegfallen, könnten wir uns nicht mehr so einfach mit Informationen aus aller Welt versorgen.^[5]

Berechnung elektrischer Energie

Wie wird elektrische Energie berechnet? Die elektrische Energie Einheit ist Joule. Für die Berechnung der elektrischen Energie benötigt man drei Werte, die zu multiplizieren sind. Die Stromstärke gibt an, wie viel elektrische Ladung pro Sekunde durch einen Leiter, beispielsweise ein Kabel, fließt. Sie hat die Einheit Ampere (A) und das Formelzeichen I. Außerdem wichtig ist die elektrische Spannung, die angibt, wie groß der Antrieb des elektrischen Stroms ist. Die Einheit für die elektrische Spannung ist Volt (V), das Formelzeichen für die Berechnung ist U. Zu guter Letzt benötigt man den Wert der Zeit. Maßgeblich ist hier der Zeitraum, für welchen man die elektrische Energie berechnen will. Dieser Wert wird in Sekunden angegeben und trägt in der Berechnung die Bezeichnung t.

Die elektrische Energie Formel, zu der man diese drei Werte zusammenfasst, sieht dann wie folgt aus:

E = U ⋅ I ⋅ t

Für die korrekte Berechnung der elektrischen Energie gilt die Bedingung, dass sowohl die elektrische Spannung als auch die Ladung konstant sein müssen.

Logischerweise bedeutet dies, dass je größer die elektrische Spannung und die elektrische Stromstärke sind, desto größer ist die in einem Stromkreis umgewandelte elektrische Energie. Und: Die elektrische Energie vergrößert sich, je länger der Strom läuft.^[2]

Auch die elektrische Energie-Leistung lässt sich messen beziehungsweise berechnen. Sie gibt den Energieverbrauch an, also wie viel elektrische Energie in einer gewissen Zeit verbraucht wird. Grundsätzlich kann man die elektrische Leistung (P) durch die Multiplikation von Spannung (U) und Strom (I) berechnen:^[7]

P = U · I

Was sollte man noch über elektrische Energie wissen?

Experten sind sich einig, dass die Zunahme klimaschädlicher Emissionen und der damit einhergehende Klimawandel auf menschliche Aktivitäten zurückzuführen sind. Energiesparen dient dementsprechend der Abwendung des Klimawandels und hilft, den Ausstoß klimaschädlicher Emissionen zu reduzieren.

Durch den Verbrauch von Wärme und Strom, die Inanspruchnahme von Mobilitätsdienstleistungen usw. erzeugt jeder Deutsche im Jahr elf Tonnen CO2. Maximal zwei Tonnen dürften es allerdings sein, damit die Klimaerwärmung bei 2 Grad Celsius gestoppt werden kann. Neben Politik und Wirtschaft ist deshalb auch jeder Einzelne gefordert, Treibhausgase und damit den eigenen Energieverbrauch zu reduzieren.

Egal, ob in Sachen Wärme, Mobilität oder Strom – eine der wirksamsten Maßnahmen für den Schutz des Klimas ist das Einsparen von Energie. Denn: Wer weniger Strom verbraucht, benötigt weniger Kraftwerks-, Leitungs- und Speicherkapazitäten. Hinzu kommt, dass eine Rundum-Versorgung aus erneuerbaren Energien leichter erreicht werden kann, wenn der gesamte Verbrauch geringer ist.^[8]

Fazit

Elektrische Energie umgibt uns in all unseren Lebenswelten. Dabei entsteht sie nicht einfach aus dem Nichts, sondern wird aus anderen Energieformen umgewandelt. Der Prozess des Herstellens von Strom unterscheidet sich je nach Energieerzeuger. Weil elektrische Energie und ihr Entstehungsprozess in Kraftwerken das Klima immer noch negativ beeinflussen, sollten Verbraucher sich einen bewussten Umgang mit Strom aneignen und Einsparmaßnahmen ergreifen.