Grundlagen elektrischer Einheiten und Größen

Ich habe die Nase gestrichen voll von Artikeln in der allgemeinen Bootspresse, in denen verwirrte Autoren elektrische Zahlen und Größen munter durcheinanderwerfen.

Das liegt vermutlich daran, dass elektrische Einheiten ein bisschen anders funktionieren als die Einheiten für Länge, Geschwindigkeit und Strecke.

Hier also mein bescheidener Versuch, diese offenbar verwirrende Angelegenheit zu klären. Ich vergleiche elektrischen Strom mit Wasser, das durch ein rundes Rohr fließt, was in unserem nautischen Umfeld ja ganz passend erscheint.

Erst mal ein bisschen Theorie

Fangen wir mit den drei bekanntesten Einheiten an:

• Spannung - Der Eifer, mit dem Elektronen von A nach B fließen wollen. In unserem Vergleich entspricht das dem Wasserdruck in einem Rohr.
• Strom - Die Menge an elektrischer Ladung, die pro Zeiteinheit durch den Leiter fließt. In unserem Vergleich entspricht das dem Durchfluss eines Flusses oder Rohrs. Der Durchfluss wird meist in Kubikmetern pro Sekunde gemessen, und genauso wird elektrischer Strom in Coulomb pro Sekunde gemessen. Ein elektrischer Strom von 1 Ampere ist definiert als 1 Coulomb pro Sekunde. Und das ist wichtig: Strom ist eine abgeleitete Größe. Ein Coulomb ist einfach ein großer Haufen Elektronen, etwa 6,241 x 1018 Stück.
• Elektrische Energie - Das, weswegen wir überhaupt Strom an Bord haben. Elektrische Leistung ist das, was das Gerät (Winsch, Kaffeemaschine, Glühbirne) zum Laufen bringt. In unserem Vergleich ist es die Leistung, die eine Turbine dem Wasser im Rohr entnehmen könnte. Die ergibt sich aus Durchfluss mal Druck. Genauso ist in einem Stromkreis die Leistung das Produkt aus Spannung und Strom. In Einheiten: Volt mal Ampere gleich Watt (V * A = W). (Hinweis an die Ingenieurskollegen: Ich weiß, eigentlich müsste es U * I = P heißen, aber lasst uns die Sache nicht noch komplizierter machen. Die Phasenverschiebung bei Wechselstrom lasse ich aus demselben Grund auch weg.)

Beachte: Obwohl Spannung und Strom so oft verwendet werden, sind sie KEINE Grundeinheiten, so wie Volumen und Länge. Die Spannung ist nämlich definiert als die gesamte Energie, die nötig ist, um eine elektrische Ladung von A nach B zu bewegen, geteilt durch die Größe dieser Ladung. Auch der Strom ist eine abgeleitete Größe. In der Elektrizität ist die Grundeinheit die Ladung, gemessen in Coulomb.

Die Verwirrung wird noch größer, sobald wir über Kapazität reden. Insbesondere über die Kapazität unserer Behälter für elektrische Ladung, besser bekannt als Batterie. Nach dem, was ich oben geschrieben habe, würdest du erwarten, dass wir die Batteriekapazität in Coulomb messen: Wie viele Elektronen passen rein? Leider hat man historisch bedingt Amperestunden verwendet. Eine Amperestunde (Ah) ist ein Strom von 1 Ampere über 1 Stunde (3600 Sekunden). Da 1 Ampere 1 Coulomb pro Sekunde ist, sind 1 Ah also 3600 Coulomb.

Genauso bestimmt die gesamte über mehrere Stunden verbrauchte Leistung, wie viel wieder nachgeladen oder beim Energieversorger gekauft werden muss. Historisch wird das in (Kilo-)Wattstunden gemessen. 1,2 kWh = 1200 Wh = 1200 Watt eine Stunde lang. Müsste diese Energie aus einer typischen 12-V-Batteriebank kommen, wären das (V * A = W, also A = W / V, also Ah = Wh / V) 1200/12 = 100 Ah.

Typische Fehler

Nehmen wir uns einen Artikel aus der niederländischen Zeitschrift “Zeilen” vor und schauen, was dort schiefläuft. Der Artikel “Geen beweging, toch stroom” (Keine Bewegung, trotzdem Strom) in der Ausgabe vom Mai 2010 behandelt Brennstoffzellen und liefert gleich ein paar typische Beispiele.

Der erste kleine Fehler steckt in einem Satz, in dem der Autor über einen Gasgenerator … mit einer Kapazität zwischen 1,5 und 2,2 kWh … schreibt. Nun sind kWh aber die über einen bestimmten Zeitraum gelieferte Energie. Generatoren werden nach ihrer Leistung dimensioniert, also in (Kilo-)Watt – nicht in Kilowattstunden.

Dann widmet er sich der zugegebenermaßen verwirrenden (aber korrekten) Angabe bei den Brennstoffzellen von EFOY. EFOY gibt für seine Geräte an, wie viele Wattstunden sie pro Tag (24 Stunden) liefern können. Zugegeben, das ließe sich besser einfach in Watt ausdrücken. Der Autor schreibt dazu: Es gibt fünf Modelle von 600 bis 2200 Watt/h pro Tag, eine ziemlich seltsame und irreführende Bezeichnung. Man muss die Zahl durch 24 teilen, um auf die tatsächliche Leistung zu kommen. Bei einer EFOY 2200 ergibt das einen maximalen Strom von 7,5 Ah bei 12 Volt. Autsch: Es müsste Wattstunde heißen, nicht Watt pro Stunde (Watt/h). Und es müssten 7,5 A (Ampere) sein, nicht 7,5 Ah (Amperestunden).

Wie auch immer, weiter zum nächsten Abschnitt, in dem er behauptet, die Brennstoffzelle Protonex M-250C liefere 250 Watt pro Stunde. Ich schätze, er meint 250 Watt …

Und zum Schluss noch das hier: Die italienische Firma Acta liefert Brennstoffzellen mit einer Kapazität von 100, 200 oder 1000 Watt während acht Stunden. Auch hier gilt: Watt pro Stunde ist bedeutungslos.

Kein Wunder also, dass so viele Bootsleute beim Thema Elektrik verwirrt sind, wenn Zeitschriften sie mit solchen Fehlinformationen füttern.

HINWEIS: Dieser Beitrag stammt ursprünglich aus meinem alten Blog unter der URL http://yachtelectronics.blogspot.nl/2010/05/basics-of-electrical-units-and.html