Grundbegriffe zur Energie
Auf dieser Seite sollen die naturwissenschaftlichen Grundlagen der Energieerzeugung erläutert werden. Dabei wird im Sinne der Allgemeinverständlichkeit bewusst auf physikalische Exaktheit verzichtet.
Inhalt:
Energie
Energie ist die Fähigkeit Arbeit zu verrichten.
Energie kommt in verschiedenen Formen vor:
- Bewegungsenergie (kinetische Energie)
- Lageenergie (potentielle Energie)
- Wärmeenergie
- Elektrische Energie
- Atomenergie, Kernenergie
- Strahlungsenergie (elektromagnetische Wellen, Sonnenenergie)
- Chemische Energie
Die verschiedenen Energieformen können ineinander umgewandelt werden.
Bei allen Energieumwandlungen bleibt die Menge der Energie immer gleich (physikalisches Gesetz). Energie kann also im streng physikalischen Sinne nicht vernichtet oder erzeugt werden. Unter Energieerzeugung versteht man damit die Umwandlung einer Energieform in eine eher gewünschte andere Form. Bei allen Energieumwandlungen lässt jeweils jedoch nur ein Teil der vorgegeben Energiemenge in die gewünschte Endform umwandeln. Bei der Stromerzeugung in konventionellen Kraftwerken wird z.B. ein Teil der chemischen Energie des Brennstoffs (Öl, Gas, Kohle) in elektrische Energie umgewandelt, hier je nach Technik des Kraftwerks 30%-45%. Man bezeichnet diese Prozentangabe als Wirkungsgrad. Die restliche Energiemenge wird unerwünschter Weise in Wärme umgewandelt. Diesen Teil nennt man umgangssprachlich Energieverlust. Da Energie meistens an bestimmte Materialien gebunden ist, spricht man auch von Energieträgern.
Bedeutung der einzelnen Energieformen
Bewegungsenergie (kinetische Energie)
Diese Energieform liegt immer vor, wenn sich etwas bewegt, z.B. ein Fahrzeug, die Luft (Windenergie), Wasser (Energie in Wellen und Flüssen). In Wind- und Wassermühlen wird die kinetische Energie der Luft bzw. des strömenden Wassers genutzt. Bewegungsenergie ist häufig das Ziel von Energieumwandlungen. So wird z. B. beim Auto die chemische Energie des Treibstoffs zunächst in Wärme und dann (teilweise) in Bewegungsenergie des Fahrzeugs umgewandelt.
mechanische Lageenergie (potentielle Energie)
Ein ruhender Gegenstand, der sich auf einem Ortsniveau befindet, das im Vergleich zu einem anderen Ortsniveau höher liegt, hat eine bestimmte Lageenergie. Diese kann wieder in Bewegungsenergie umgewandelt werden, in dem man den Gegenstand auf ein niedrigeres Niveau fallen lässt. In Speicherstauseen speichert man z.B. Energie in Form von Lageenergie. Bei Bedarf kann man das Wasser wieder auf ein tieferes Niveau fallen lassen und so die Lageenergie wieder in mechanische Bewegungsenergie und schließlich wieder in elektrische Energie umwandeln. Auch ein mit Gas unter hohem Druck gefüllter Hohlkörper enthält potentielle Energie, die man nach Öffnen des Ausströmventils wieder gewinnen kann. Man nutzt diese Form der Energiespeicherung in großen mit Druckluft gefüllten Salzkavernen.
Wärmeenergie
Die Wärme, die bei der Verbrennung eines Energieträgers entsteht, geht zum Teil an die Verbrennungsprodukte über etwa an die Rauchgase. Heiße Rauchgase besitzen eine hohe Wärmeenergie. Sie können z.B. in einem Automotor oder einer Turbine zur Erzeugung mechanischer Energie genutzt werden. Der Wert der Wärmeenergie hängt vor allem vom Temperaturniveau ab. Je höher die Temperatur ist (eigentlich: die Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmespeicher und der Umgebung), desto größer ist der Anteil der Wärme, der in kinetische oder elektrische Energie umgewandelt werden kann. Mit Temperaturen von einigen hundert Grad lassen sich vielfältige technische Prozesse bewirken, z.B. das Brennen von Zement oder die Stahlherstellung. Geringe Temperaturen sind nur noch zum Heizen von Wohnungen geeignet. Wärmeenergie fällt bei fast allen Energieumwandlungen als "Abfallenergie" an, d.h., sie wird oft als nicht weiter nutzbare Energieform zu den Energieverlusten gezählt.
Elektrische Energie
Elektrische Energie ist sehr praktisch, da sie sich leicht in kleinen Geräten (Elektromotor, Heizgerät, Leuchte) in fast allen anderen Energieformen umwandeln lässt. Sie lässt sich außerdem über Kabel einfach über große Entfernungen transportieren. Sie hat aber den Nachteil, dass sie nur mit großem Aufwand in größeren Mengen gespeichert werden kann und immer zum Zeitpunkt des Verbrauchs erst aus anderen Energieformen hergestellt werden muss. Dabei treten oft große Umwandlungsverluste auf.
Atomenergie, Kernenergie
Bei der Nutzung der Atomenergie kommt es im Gegensatz zu allen anderen Energieformen zu Reaktionen der Atomkerne, wodurch sehr große Energiemengen frei werden. Es entsteht aber auch die für den Menschen sehr schädliche Radioaktivität, vor der man sich nur mit sehr großem Aufwand schützen kann. Weiterhin ist das Problem der Jahrtausende langen Endlagerung des radioaktiven Abfalls bis heute nirgendwo auf der Welt gelöst. Bei der Umwandlung in elektrische Energie treten etwa 70% Wärmeverluste auf, die zur Aufheizung der Flüsse führen. Die Strahlung der Sonne entsteht durch Kernreaktionen auf der Sonne.
Strahlungsenergie (Licht, Sonnenenergie)
Die Energie des Lichts erkennt man bei einem Sonnenbrand. Die Lichtenergie der Sonne ist die Energieform, die in großen Mengen von außen auf die Erde einströmt. Die Menge der Energie pro Quadratmeter (Energiedichte) ist aber relativ gering. Aus der Sonnenenergie entstehen durch Umwandlung alle anderen regenerativen (erneuerbaren) Energieformen mit Ausnahme der geothermischen Energie. Das Auftreten der Sonnenenergie auf der Erde ist allerdings insbesondere in Deutschland stark vom Wetter, vom Tag/ Nacht-Rhythmus und von der Jahreszeit abhängig. Die Astrophysiker schätzen, dass die Sonne noch etwa 5 Milliarden Jahre strahlen wird.
Chemische Energie
Diese Energieform ist in allen Brennstoffen und Nahrungsmitteln enthalten. Durch die Verbrennung von Kohle, Holz, Öl, Gas oder Verwertung in Lebewesen kann die chemisch gebundene Energie in andere Energieformen umgewandelt werden. Dabei wird in der Regel auch Wärme freigesetzt, die entweder unmittelbar zum Heizen verwendet wird oder weiter in mechanische Energie (Automotor) oder elektrische Energie umgewandelt (Kohlekraftwerk) wird. In Form der chemische Energie lässt sich Energie besonders gut speichern (geringes Volumen, geringes Gewicht→ hohe Energiedichte).
Einteilung nach Umwandlungsschritten
Energieformen, die in der Natur direkt vorkommen, bezeichnet man als Primärenergie. Durch die Energieumwandlung, evtl. über mehrere Schritte (Sekundärenergie), entsteht die vom Menschen gewünschte Energieform, die Endenergie. Eigentlich ist aber nicht die Energie selbst das Ziel aller Aktivitäten, sondern der vom Menschen gewünschte Energienutzen, z.B. ein warmes Zimmer . Dieses kann man oft auch ohne Energienutzung, hier z.B. durch eine bessere Wärmedämmung erreichen.
Energiebilanz der Erde
Die Sonnenenergie ist neben der Energie aus radioaktiven Zerfällen im Erdinnern die einzige Energieform, die der Erdoberfläche in großem Maße zugeführt wird. Ein Teil der in einigen Millionen Jahren auf die Erde eingeströmten Energie ist in Form der fossilen Energieträger (Kohle, Erdöl, Erdgas) in der Erdkruste gespeichert. Zur Zeit verbraucht die Menschheit diese Energie in rasantem Tempo. Sie ist in menschlichen Zeiträumen nicht wieder herstellbar. Fast alle Energieumwandlungen führen letztlich zu Wärmeenergie. Diese Wärmeenergie wird von der Erde wieder in den Weltraum abgegeben. Energieeinstrahlung durch die Sonne und Energieabgabe sind im Gleichgewicht, so dass sich die Temperatur auf der Erde nicht ändert.
Bei der Verbrennung der fossilen Energieträger entsteht Kohlendioxid. Dies ist nicht ein durch Nebenreaktionen entstehender Schadstoff, den man durch geeignete Maßnahmen reduzieren kann, sondern neben Wasser das eigentliche Produkt der Verbrennung und damit nicht zu verhindern.
fossiler Brennstoff + Sauerstoff der Luft → Kohlendioxid + Wasser(dampf)
Der Anstieg des Kohlendioxids in der Atmosphäre führt wie ein Pullover zu einer zusätzlichen Wärmeisolierung der Erde, wodurch sich die Temperatur auf der Erde erhöht. Hierdurch ergeben sich Klimaveränderungen mit kaum überschaubaren Konsequenzen.
Insgesammt sind die auf der Erde auftretenden erneuerbaren Energieformen ein Vielfaches der vom Menschen genutzten Energie.
Messung von Energiemengen
Die Mengen von Energien werden in den verschiedenen Energieformen durch verschiedene Einheiten wieder gegeben, die sich aber allen untereinander umrechnen lassen. Zur Veranschaulichung sind einige Aktivitäten angegeben, bei denen etwa diese Energiemenge verbraucht wird.
1 kWh = |
3 600 KJoule = |
860 Kcal = |
3 600 000 Nm |
Kilowattstunde |
Kilo-Joule |
Kilo-Kalorie |
Newtonmeter |
elektrische Energie |
chemische Energie in Nahrungsmitteln |
Wärmeenergie |
Lageenergie |
0,5h Wasserkocher betreiben |
1,9 l Coca-Cola |
10 l Wasser um 86° erwärmen |
360 kg 1000m hoch tragen |
6-8 h TV schauen |
Kalorienverbrauch pro Tag bei schwerer körperlicher Arbeit |
1 x Duschen |
Bergwanderung mit schwerem Rucksack mit 4000 Höhenmetern |
Für ganz grobe Überschlagsrechnungen kann man sich merken, dass sich die folgenden Energiemengen der üblichen Energieträgern in etwa gleichen:
1l Benzin ~ 1l Diesel ~ 1 l Heizöl ~ 1m³ Erdgas ~10 kWh Strom ~ 2kg trockenes Holz ~ 1kg Steinkohle
Übrigens: 1 permanenter Standby-Verbrauch eines Gerätes von 1 W führt zu einem Jahresverbrauch von 8,76 kWh!
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