Wie man elektrische Energie misst: Eine umfassende Anleitung
Was ist elektrische Energie?
Elektrische Energie ist definiert als das Produkt aus elektrischer Leistung und Zeit, und sie wird in Joules (J) gemessen. Ein Joule elektrischer Energie entspricht einem Watt Leistung, das für eine Sekunde verbraucht wird. Mathematisch können wir schreiben:
E=P×t
wobei,
E die elektrische Energie in Joules (J) ist
P die elektrische Leistung in Watt (W) ist
t die Zeit in Sekunden (s) ist
Elektrische Energie und Leistung sind eng verwandte Begriffe. Elektrische Leistung ist die Menge an elektrischem Strom, der durch einen Schaltkreis fließt, aufgrund eines bestimmten Spannungsunterschieds über ihm. Elektrische Leistung ist auch die Rate, mit der elektrische Energie von einem Gerät oder einem System geliefert oder verbraucht wird. Elektrische Leistung wird in Watt (W) gemessen, die äquivalent zu Joule pro Sekunde (J/s) sind. Mathematisch können wir schreiben:
P=V×I
wobei,
P die elektrische Leistung in Watt (W) ist
V der Spannungsunterschied in Volt (V) ist
I der elektrische Strom in Ampere (A) ist
Um elektrische Energie zu messen, müssen wir sowohl die elektrische Leistung als auch die Zeitdauer kennen, für die sie angewendet oder verbraucht wird. Zum Beispiel, wenn eine 100 W Glühbirne für 10 Minuten eingeschaltet ist, dann beträgt die verbrauchte elektrische Energie:
E=P×t=100 W×10×60 s=60,000 J
Einheiten der elektrischen Energie
Joule ist die standardmäßige Energieeinheit im Internationalen Einheitensystem (SI), aber sie ist für praktische Zwecke bei der Verwendung großer Mengen an elektrischer Energie zu klein. Daher werden andere Einheiten häufig zur Messung von elektrischer Energie verwendet, wie Wattstunde (Wh), Kilowattstunde (kWh), Megawattstunde (MWh) und Gigawattstunde (GWh). Diese Einheiten werden durch Multiplikation der Leistungseinheit (Watt) mit der Zeiteinheit (Stunde) abgeleitet.
Wattstunde (Wh) ist die Menge an elektrischer Energie, die von einem Gerät oder einem System verbraucht wird, das eine Watt Leistung für eine Stunde zieht. Es zeigt, wie schnell die Leistung über einen Zeitraum hinweg verbraucht wird. Eine Wattstunde entspricht 3.600 Joules. Zum Beispiel verbraucht eine 15 W LED-Glühbirne 15 Wh elektrischer Energie in einer Stunde.
Kilowattstunde (kWh) ist eine größere Einheit der elektrischen Energie, die häufig für Haushaltsgeräte und Stromrechnungen verwendet wird. Eine Kilowattstunde entspricht 1.000 Wattstunden oder 3,6 Megajoules. Zum Beispiel verbraucht ein Kühlschrank, der 300 W Leistung zieht, 300 Wh oder 0,3 kWh elektrische Energie in einer Stunde.
Megawattstunde (MWh) ist eine Einheit der elektrischen Energie, die typischerweise zur Messung des Ausstoßes oder Verbrauchs von Großkraftwerken oder Netzen verwendet wird. Eine Megawattstunde entspricht 1.000 Kilowattstunden oder 3,6 Gigajoules. Zum Beispiel produziert ein Kohlekraftwerk mit einer Kapazität von 600 MW 600 MWh elektrische Energie in einer Stunde.
Gigawattstunde (GWh) ist eine Einheit der elektrischen Energie, die zur Messung sehr großer Mengen an Stromerzeugung oder -verbrauch über lange Zeiträume verwendet wird. Eine Gigawattstunde entspricht 1.000 Megawattstunden oder 3,6 Terajoules. Zum Beispiel betrug der gesamte Stromverbrauch der Vereinigten Staaten im Jahr 2019 etwa 3.800 TWh oder 3,8 Millionen GWh.
Die folgende Tabelle fasst die Einheiten der elektrischen Energie und ihre Umrechnungen zusammen:
| Einheit | Symbol | Entspricht |
|---|---|---|
| Joule | J | 1 J |
| Wattstunde | Wh | 3.600 J |
| Kilowattstunde | kWh | 3,6 MJ |
| Megawattstunde | MWh | 3,6 GJ |
| Gigawattstunde | GWh | 3,6 TJ |
Wie man elektrische Energie mit einem Zähler misst
Um elektrische Energie zu messen, benötigen wir ein Gerät, das die elektrische Leistung und die Zeitdauer aufzeichnen kann, für die sie angewendet oder verbraucht wird. Ein solches Gerät wird als elektrischer Energiezähler oder einfach als Energiezähler bezeichnet. Ein Energiezähler ist ein Gerät, das die Menge an elektrischer Energie misst, die von einer Wohnung, einem Geschäft oder einem elektrisch betriebenen Gerät verbraucht wird. Er misst die gesamte verbrauchte Leistung über einen Zeitraum und ist in Abrechnungseinheiten kalibriert, wobei die am häufigsten verwendete Einheit die Kilowattstunde (kWh) ist. Energiezähler werden in Haushalten und Industrie-Wechselstromkreisen zur Messung des Stromverbrauchs verwendet.
Es gibt verschiedene Arten von Energiezählern, je nach Technologie, Design und Anwendung. Einige der gängigsten Arten sind:
Elektromechanische Zähler: Dies sind die traditionellen Zähler, die eine rotierende Metallscheibe und einen Elektromagneten verwenden, um die elektrische Leistung zu messen und auf einer Reihe von Drehzahlern oder einem mechanischen Zähler aufzuzeichnen. Sie sind auch als Induktionszähler oder Ferraris-Zähler bekannt. Sie sind einfach, robust und genau, haben jedoch einige Nachteile, wie mechanisches Verschleiß und Verspannung, Anfälligkeit für Manipulationen und magnetische Störungen und die Unfähigkeit, Blindleistung oder Netzqualität zu messen.
Elektronische Zähler: Dies sind moderne Zähler, die elektronische Schaltkreise und Sensoren verwenden, um die elektrische Leistung zu messen und sie auf einem digitalen Display anzuzeigen oder an ein Fernsystem zu senden. Sie sind auch als Festkörperzähler oder digitale Zähler bekannt. Sie haben viele Vorteile gegenüber elektromechanischen Zählern, wie höhere Genauigkeit, geringere Wartung, Fernablesung und Kommunikation, mehrere Tarifoptionen und fortgeschrittene Funktionen wie Lastabgleich, Lastprofilierung und Netzqualitätsanalyse.
Smart Zähler: Dies sind fortschrittliche Zähler, die digitale Technologie und drahtlose Kommunikation verwenden, um die elektrische Leistung zu messen und sie an ein zentrales System oder ein Smart-Grid-Netzwerk zu senden. Sie sind auch als Advanced Metering Infrastructure (AMI) oder Intelligent Metering Systems (IMS) bekannt. Sie bieten viele Vorteile gegenüber elektronischen Zählern, wie Echtzeitdatenerfassung und -analyse, dynamische Preisgestaltung und Abrechnung, Störungserkennung und -behebung, Lastmanagement und Kundenbindung.
Das grundlegende Prinzip der Messung von elektrischer Energie mit einem Zähler besteht darin, die elektrische Leistung mit der Zeitdauer zu multiplizieren, für die sie angewendet oder verbraucht wird. Je nach Zählerart und Lasttyp gibt es jedoch verschiedene Methoden, die elektrische Leistung zu berechnen. Einige der gängigsten Methoden sind:
