Was ist eigentlich der Unterschied zwischen Leistung und Energie?
Man muss sich den Unterschied klar machen: Das heißt, einerseits das Potenzial (Energie) und andererseits die Wirkung (Leistung) deutlich zu unterscheiden und einen fassbaren Maßstab dafür im Kopf zu haben. Wenn das einmal steht, ist man gerüstet für jedes Fachgespräch in diesem Zusammenhang. Und der Small Talk mit dem Kunden läuft unter absolut sicheren Vorzeichen.
Energie im täglichen Leben
Im Alltag trifft man den Titel „Energie“ im Zusammenhang mit Abrechnungen für den Haushaltsstrom. 3500 Kilowattstunden hat die Rechnung des Autors im vergangenen Jahr auf der Stromrechnung ausgewiesen. Der Versorger nennt es Verbrauch. Ihn interessiert also nicht, ob zwischendurch ein Backofen mit 3500 Watt (W) eingeschaltet war oder der Baustrahler mit 1000 W. Der Versorger will die von ihm gelieferte Strommenge bezahlt bekommen, unabhängig davon, ob man diese an einem Tag, in zwei Wochen oder in einem Jahr von ihm bezogen hat. Das Potenzial zählt für ihn, was man daraus gemacht habe, ist die eigene Sache.
Leistung im täglichen Leben
Wechselt man zwischendurch seine hocheffizienten LED-Lämpchen aus, steht auf den Fassungen, gegen welchen Leistungstyp man diese ersetzen kann. Die 10-Watt-LED-Leuchte ersetzt der Autor gegen eine mit gleicher Leistungsaufnahme. Sein Fahrzeug mit 100 Kilowatt (kW) Leistung zeigt ihm ebenfalls, was er erwarten darf. Der Kessel im Keller leistet in der Spitze 10 kW. Der Alltag reibt einem immer wieder diese Größen unter die Nase.
Wie bringt man beide zusammen?
Die Verwandtschaft von Energie und Leistung ist natürlich schon in den Einheiten zu erkennen, also Kilowattstunde (kWh) und Kilowatt (kW). Und jetzt kommt der erste Trick, um sich die beiden Dinge in Abhängigkeit voneinander vorstellen zu können.
Würde man den alten Baustrahler mit 1000 Watt, also 1 kW, eine Stunde brennen lassen, hätte man eine 1 kWh an Energie verbraucht (denn: 1 kW x 1 h = 1 kWh). Der Autor hat also im letzten Jahr so viel Strom verbraucht, wie sein Baustrahler in 3500 Stunden verbrauchen würde. Den Backofen mit 3,5 kW könnte er 1000 Stunden am Stück betreiben (hat er aber nicht, ehrlich!).
Wie sieht's aus im SHK-Bereich?
Einen Liter Heizöl oder auch einen Kubikmeter Erdgas habe ich rechnerisch mit einem Energiegehalt von 10 kWh in meinem Kopf hinterlegt. IEin Liter Heizöl (oder auch ein Kubikmeter Erdgas) entspricht also einem energetischen Äquivalent von 10 kWh.
Mit dieser Genauigkeit kann man den 10-kW-Kessel im Keller überprüfen. Wenn dieser also unter Volllast eine Stunde brennt, dann hat er 10 kWh Energie geliefert (denn: 10 kW x 1 h = 10 kWh), also so viel, wie in einem Kubikmeter Erdgas steckt. Lässt man gedanklich den Wirkungsgrad des Kessels außer Acht, so müsste der Gaszähler in dieser einen Stunde um einen Kubikmeter Gas weitergerückt sein. Hätte ich einen Ölkessel, wäre ein Liter Heizöl in dieser Stunde verbrannt worden. Man könnte 10 Heizkörper mit einer Leistung von 1000 W, also jeweils 1 kW 1 Stunde damit erwärmen (denn: 10 x 1 kW x 1 h = 10 kWh).
Heizlastberechnung: Wahrsagerei zur Leistung
Wenn wir es richtig draufhaben, können wir einem Endkunden die richtige Fußbodenheizung in seinen Neubau installieren. Anhand der Dämmung der Außenhülle und den Maßen seines Hauses erstellen wir eine Heizlastberechnung. Diese Berechnung weist zum Schluss jedem Raum einzeln eine gewisse Leistung zu, die zur Beheizung notwendig ist. Addiert man die Leistung aller Räume eines Hauses, ergibt sich am Ende auch die Leistung des Kessels. Die Heizflächen und der Kessel erbringen also im Betrieb eine Leistung in Watt.
Ist man oft zu Hause und hat diese Heizung häufig in Betrieb, so wird die Abrechnung für die verbrauchte Energie, ausgedrückt in Kilowattstunden, entsprechend hoch sein. Denn Kilowatt (Leistung) multipliziert mit Stunde (Zeit) ergibt Kilowattstunde (Energie). Ist man während der Heizperiode kaum zu Hause und nutzt daher eher selten die Leistung des Kessels und der Heizflächen, bleibt der Verbrauch niedrig.
Kilowatt (Leistung) multipliziert mit Stunde (Zeit) ergibt Kilowattstunde (Energie)
Energieausweis: Wahrsagerei zur Energie
In einem Energieausweis kann man eine Prognose erstellen. Bei einer durchschnittlichen Zeit der Beheizung von vielleicht 2000 Stunden wird ein erwarteter Verbrauch an Energie für ein Jahr in Aussicht gestellt.
Einige unserer Profis, die als Gebäudeenergieberater tätig sind, trauen sich zu, solche Aussagen zu treffen. Statt in eine Glaskugel schauen die natürlich auch auf einen Computerbildschirm und füttern ein Berechnungsprogramm mit Daten. Die Ergebnisse dieser Berechnungen werden, wegen der Verwandtschaft zur Heizlast, immer wieder durcheinander geschmissen. Für Sie, lieber Leser, ist aber jedenfalls klar: Das eine ist die Heizlast in Watt, um Fußbodenheizungen oder auch Heizkörpern die korrekte Leistung zuzuordnen und den Kessel im Keller zu dimensionieren. Das andere ist ein Energieausweis, der unter Standardbedingungen eine Voraussage trifft, wie viel Energie in Kilowattstunden pro Jahr zur Beheizung notwendig sein wird.
Potenzial und Wirkung an weiteren Stellen
Als Anlagenmechaniker installieren Sie auch Warmwasserspeicher oder Durchlauferhitzer. Beide dienen dem Kunden zur Warmwasserbereitung und sind gleichzeitig ein klassisches Beispiel für die Unterscheidung von Leistung und Energie. Im Unterricht unseres Autors verdrehen viele die Augen, wenn er diesen Vergleich heranzieht, aber am Ende wird es dann verstanden.
Wenn man beispielsweise in einem Neubau mit enorm dicker Dämmung eine Wärmepumpe mit nur 8 kW Leistung installiert, dann bekommt man das Haus damit warm. Aber allein mit dieser geringen Leistung ist die Warmwasserbereitung nicht hinzukriegen. Die Raindance-Dusche im Elternbad des Hauses will 45°C ausspucken und dieser Schwall soll mindestens 0,3 Liter pro Sekunde betragen, das entspricht 1080 Liter pro Stunde. Wenn das Wasser mit 10°C am Hausanschluss eintritt, dann müsste eine Temperaturerhöhung um 35 Kelvin stattfinden. Dazu ist diese Leistung notwendig ist:
Dem Baupaar könnte man jetzt erklären, dass sie mit dieser Raindance-Dusche nicht glücklich werden, braucht diese doch eine Leistung von fast 44 kW, um die Raindance-Funktion wirklich nutzen zu können. Aber wir greifen als Anlagenmechaniker zu einem Trick. Wir lassen die 8-kW-Wärmepumpe in einer Heizpause nur für die Erwärmung eines Trinkwassererwärmers ackern. Dort stellen wir mit der Zeit beispielsweise 300 Liter erwärmtes Wasser zur Verfügung, die dann nicht mehr zeitgleich, also während des Duschens des Baupaars, erzeugt werden müssen.
Das Potenzial, das so geschaffen werden kann, reicht dann wahrscheinlich für ein wohliges Duschvergnügen. Es handelt sich bei dem angenommenen 300-Liter-Warmwasserspeicher also um einen Energiespeicher, dem man dann zumindest zeitweise eine hohe Leistung entnehmen kann.
Nach diesen Betrachtungen kann man aber voraussagen, dass ein Durchlauferhitzer mit seinen höchstens 24 kW Leistung das Duschvergnügen nicht erfüllen würde. Diese Leistung (oder auch Wirkung) reicht nicht aus. Will man voraussagen, was der Durchlauferhitzer schaffen kann, wiederum von 10 °C auf 45 °C Erwärmung, stellt man die Formel um.
Ein Durchlauferhitzer mit maximal 0,16 l/s könnte also das Duschvergnügen unter der Raindance nur halb so schön erleben lassen, als es der Hersteller vorsieht. Besser ist es, man schafft sich das Potenzial zum Duschen durch Energiespeicherung, um die Wirkung, also die Leistung, als fließendes erwärmtes Wasser zeitversetzt entnehmen zu können.
Beispiel für einen Liter Heizöl
Das nächste Beispiel soll an einer übersichtlichen Menge Heizöl fest gemacht werden. Das Potenzial, also den Energiegehalt, legen wir ohne Anspruch auf höchste Genauigkeit mit 10 Kilowattstunden pro Liter fest.
Bleiben wir gedanklich also bei einem Liter Heizöl. Dieses Volumen werden wir im Gedankenexperiment mittels eines hocheffizienten Brenners zur Energiegewinnung nutzen. Sie können dieses Volumen von einem Liter Heizöl gedanklich in einer Stunde verbrennen und haben eine Kesselbelastung von 10 kW damit erzielt. Klar, denn:
- eine Stunde (3600 s)
- 10 kWh / 1 h = 10kW
Skalieren Sie jetzt mal gedanklich hoch. Verbrennen Sie also dieses Volumen in immer kleineren Zeiträumen:
- halbe Stunde (1.800 s)
- 10 kWh / 0,5 h = 20kW
Das entspricht in etwa einem Heizkessel in einem Zweifamilienhaus.
- Viertelstunde (900 s)
- 10 kWh / 0,25 h = 40 kW
Das entspricht in etwa einem Heizkessel in einem älteren Sechsfamilienhaus.
- eine Minute (60 s)
- 10 kWh / (60 s / 3.600 s/h) = 600 kW
- 10 kWh / 0,0166667 h = 600 kW
Diese Leistung findet man bei einem Heizkessel einer umfangreichen Wohnanlage.
- halbe Minute (30 s)
- 10 kWh / (30 s / 3.600 s/h) = 1.200 kW
- 10 kWh / 0,0083333 h = 1.200 kW = 1,2 MW
Diese Riesen von Brennern findet man vielleicht in Zentralen von Fernwärmeanlagen.
- Eine Sekunde (1 s)
- 10 kWh / (1 s / 3.600 s/h) = 36.000 kW
- 10 kWh / 0,0002778h = 36.000 kW= 36 MW
Die Treibwerke eines Kampfjets verbrennen während einiger Flugmanöver solch eine Menge an Treibstoff pro Zeiteinheit. Einige Brennerhersteller beherrschen auch noch diese Leistungsklasse.
Ein Verkehrsflugzeug mit fetten Düsentriebwerken verbrennt beim Start mit voller Leistung ca. 3 Liter Brennstoff pro Sekunde. Das ist dann zwar Kerosin, dieser Brennstoff ist aber vom Energiegehalt vergleichbar mit Heizöl.
In diese Art der Leistungsberechnung einbezogen bedeutet das, dass man ein Liter Heizöl in 1/3 einer Sekunde verbrennen würde.
- Drittelsekunde (0,3333 s)
- 10 kWh / (0,3333 s / 3.600 s/h) = 108.000 kW = 108 MW
- 10 kWh / 0,000093 h = 108 MW
Die Heizleistung entspricht dann 108 MW. Wohlgemerkt ist das nur die entsprechende Heizleistung, die ein Brenner theoretisch damit erreichen könnte. Trotzdem ist das schon gewaltig und zeigt die Relationen. In echten Vorschub für den Jet umzurechnen, ist mit dieser Art der Berechnung nicht möglich. Es handelt sich also nicht um ein Flugzeug mit 108 MW Antriebsleistung.
Den erhobenen Zeigefinger in Sachen Flugreisen und Umweltbelastung ersparen wir uns an dieser Stelle. Wichtig ist, dass wir ein krasses Beispiel im Kopf behalten in Bezug auf Leistung und Energie.
Ein Liter Heizöl entspricht der Energiemenge von 10 kWh und kann abhängig von dem Zeitraum, in dem dieser Liter verbrannt wird, fast beliebig viel oder wenig Leistung erzeugen.
Dieser Beitrag von Elmar Held ist zuerst erschienen in SBZ Monteur 09/2020. Dipl.-Ing. (FH) Elmar Held ist verantwortlicher Redakteur des SBZ Monteur. Er betreibt ein TGA-Ingenieurbüro, ist Dozent an der Handwerkskammer Münster und Hochschule Düsseldorf, sowie öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger.
