Energie#

Bericht basiert auf Daten Ende 2016. Ergänzungen bei Weiterführendes.

Einleitung#

Energie ist die Grundvoraussetzung für alles Leben. Es war eine Revolution, als Einstein mit seiner berühmten Formel E= mc2 mehr oder minder aussagte, dass Energie und Masse eng verwandt sind und sich vielleicht sogar ineinander verwandeln lassen, wobei bei der "Auflösung von Masse" ungeheure Mengen von Energie frei werden würden, umgekehrt bei der Erzeugung einer Masse sehr viel Energie notwendig sein würde, um nur eine ganz kleine Menge Masse zu erzeugen. Praktisch ausnützen können wir beides nur in bescheidenem Ausmaß, siehe Atomenergie.

Insgesamt sehr viel wichtiger ist der gesamte Fragenkomplex: Wie kann man Energie erzeugen und Energie speichern? Für elektrischen Strom wird das getrennt in Elektrizität behandelt. Hier geht es im Weiteren um die Frage, wie man Energie insgesamt gewinnen und speichern kann, ja wie man vielleicht dramatisch Energie sparen kann, um weniger erzeugen zu müssen.

Atomenergie #

Vorweg und abschließend noch kurz zur Atomenergie. Probleme mit der Kernspaltung, wie die Gefahr durch die sogenannte Kernschmelze oder die schwierige "Endlagerung" der bei der Spaltung entstehenden sehr lange strahlenden Abfallprodukte, sowie der langsame Fortschritt beim Versuch, die Fusion umzusetzen haben dazu geführt, dass in vielen Ländern die Zweifel an der Atomenergie so groß geworden sind, dass in einigen Ländern diverse Ausstiegsszenarien geplant sind, während andere Länder den Ausbau von Atomreaktoren sehr stark vorantreiben.

Das Prinzip der Energiegewinnung mit Atomkraft ist einfach: indem wir z.B. Uran spalten oder Wasserstoffatome zu Heliumatomen fusionieren, entsteht ein kleiner Massenverlust, der riesige Energiemengen frei gibt (Atombombe, Wasserstoffbombe, Fusionsreaktor, in Zukunft auch wohl Fusionsreaktoren), aber ob die vollständige Auflösung von Masse je gelingen wird/ gelingen kann, sind Themen, bei denen sich Physiker nicht einig sind. Umgekehrt, wie und ob man Energie in Masse verwandeln kann, ist noch weniger klar, wenn man den atomar kleinen Bereich nicht berücksichtigt.

Wie die nachstehende Tabelle zeigt ist die globale Bedeutung der Kernenergie klein (auch wenn einige Länder einen hohen Prozentsatz der elektrischen Energie mit Kernkraft erzeugen, z.B. Frankreich 2015 noch 76,3%). Aber, für Österreich, das fast 60% seines Stroms mit Wasserkraft erzeugt, ist es besonders überraschend, dass Wasserkraft noch schlechter abschneidet, und Wasserkraft global nur halb so viel Strom erzeugt wie Kernkraft. Auch geht in der öffentlichen Diskussion unter, dass von den erneuerbaren Energieträgern nur Biomasse eine größere Rolle spielt!

Verteilung der weltweiten Energieerzeugung nach Energieträgern im Jahr 2014 #

(Nach Statista)

31,3% Erdöl
28,6% Kohle/Torf
21,2% Erdgas
10,3% Biokraftstoff
4,8% Kernenergie
2,4% Wasserkraft
1,4% Andere: Geothermie, Photovoltaik, Windenergie, Wärme

Verteilung der weltweiten Energiequellen 2021 und 2022#

(Nach Statista)

Energievergleich nach Statista

Ergänzung Februar 2022#

Die deutsche Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoff BGR berichtet im Februar 2022 die Zahlen nach Ende 2020: Der Anteil der erneuerbaren Energie steigt. An der bestehenden Situation ändert das wenig, fossible Energiequellen sind nach wie vor dominant: 83% kommen aus Öl, Kohle, Gas...Trotz Ausbau "grüner Energien" stellt sich die Frage, wie die schwankenden Erneuerbaren den steigenden Strombedarf bei Wegfall der Kohle- udn Atomkraft abdecken soll. (Es wird auch stark auf die Notwendigkeit des Ausbaus der Wasserstoffenergie hingewiesen.)

Die Situation in Österreich ist auf Grund von Wasserkraftwerken und Biomasse anders:#

(Nach Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft: Erneuerbare Energie in Zahlen 2015)

Der Anteil erneuerbarer Energie gemäß EU Richtlinie 2009/28/EG betrug in Osterreich im Jahr 2015 32,8 %. Der Anteil Erneuerbarer steigerte sich damit gegenüber dem Vorjahr 2014 um 0,1 Prozentpunkte. Zum Vergleich: der Anteil erneuerbarer Energie am Bruttoendenergieverbrauch der EU28 im Jahr 2014 betrug laut Eurostat (2016) 16,0 %.

Wasserkraft und Biomasse sind traditionell stark in Österreich: Sie leisteten die größten Beiträge am Gesamtaufkommen erneuerbarer Energie in Österreich im Jahr 2015: Die Wasserkraft mit 37,3 % und die feste Biomasse mit 29,2 %. Weitere große Beiträge stammen aus dem erneuerbaren Anteil in der Fernwärme mit 9,8 %, den Bereichen Biokraftstoffe mit 7,3 %, und den energetisch genutzten Laugen mit 6,1 %.

Die Beiträge der Sektoren Windkraft, Solarthermie, Umweltwarme, Biogas, Geothermie und Photovoltaik machen in Summe 10,3 % aus."

Überblick über Methoden zur Energieerzeugung#

Die Energieerzeugung erfolgt im Wesentlichen durch eine von zehn Methoden:

(a) Erzeugung von elektrischer Energie #

Dies wird unter Elektrizität getrennt behandelt. Man beachte aber, dass umweltfreundlich erzeugte elektrische Energie zur Erzeugung des Energieträgers Wasserstoff verwendet werden kann, siehe Energiewende und Wasserstoffwirtschaft.

(b) Durch die Wärme, die durch atomare Prozesse entsteht #

Wurde bereits oben behandelt bzw. siehe Pro und Contra Atomenergie (2022).

(c) Verwendung von Solarenergie #

Sie wird auf zwei Wegen verwendet. Einerseits über Photovoltaikelemente, die Sonnenlicht direkt in Strom umsetzen, und andererseits durch Bündelung der Sonnenstrahlen über einen Hohlspiegel, die damit z.B. Wasser zum Sieden bringen und eine Turbine betreiben können, meist zur Stromerzeugung. Darum wird dies genauer unter Elektrizität beschrieben.

(d) Verwendung von Windenergie #

Dient meist auch zur Erzeugung von Elektrizität, wobei diese fallweise lokal zur Elektrolyse von Wasser, also zur Herstellung von Wasserstoff, verwendet wird, wobei dieser, siehe Motor, Alternative Energie und Energiewende und Wasserstoffwirtschaft , als Kraftstoff (durch Verbrennung oder durch Brennstoffzellen) eingesetzt, oder unter Einbindung von CO2 zu einem methanolähnlichen Treibstoff verarbeitet werden kann.

(e) Verwendung der Erdwärme #

Wird in einigen wenigen Kraftwerken verwendet, aber nicht nur in Großanlagen, sondern in auch in kleinerem Umfang für die Klimatisierung von Häusern oder Treibhäusern (wobei, siehe weiterführende Literatur, zurzeit weniger als 2% des Weltenergiebedarfs durch Erwärme abgedeckt werden, obwohl die Erdkruste eine fast nie versiegende Quelle von Wärmeenergie sein könnte). Siehe dazu die Anmerkung zum Beitrag Nachhaltiges Fracking .

(f) Verwendung von Abwärme #

Sie erlaubt die dramatische Erhöhung des Wirkungsgrades von Industrieeinrichtungen, bei denen Wärme als fast lästiges Nebenprodukt entsteht. Seit kurzer Zeit wird bei einigen Autoauspuffrohren die Wärmedifferenz über den Seebeck Effekt direkt in Strom verwandelt, der für die Klimatisierung des Autos ausreicht.

(g) Erzeugung durch andere chemische Prozesse#

Erzeugung durch chemische Prozesse, die Energie (meist in Form von Wärme) freisetzen. Um Bedeutung zu erlangen, wäre hier ein substantieller Durchbruch nötig: Dass das "Löschen" von Kalk Wärme erzeugt, ist zwar ein Beispiel für einen solchen Effekt, der aber kaum genutzt wird.

(h) Durch die Verwendung von Potenzialenergie ("potenzielle Energie") #

Dies wird im größten Stil bei Speicherkraftwerken verwendet, wo ja das Potenzial des hochliegenden Wasser zur Energieerzeugung ausgenutzt wird. In kleinerem Stil wird das Gewichtspotential (meist von Wasser) auch in kinetische Energie verwandelt, etwa zum Betrieb einer Standseilbahn (siehe Weiterführendes). Siehe dazu den ausführlichen Beitrag über Energie durch Wasserkraft.

(i) Erzeugung von Energie durch Verbrennen. #

Pellets. Foto aus Pixabay

Meist eines fossilen Brennstoffs wie Öl, Erdgas oder Kohle, wobei große Mengen von CO2 entstehen.

CO2 trägt nach heutiger Ansicht wesentlich zu der "globalen Erwärmung" bei und man sollte daher entweder seine Erzeugung reduzieren (zumindestens so lange, bis man die Vernichtung oder Wiederverwendung von CO2 im Griff hat) oder auf CCS (Carbon Capturing and Storage) Verfahren setzen. Zitat von der VGB Powertech: " Carbon Capture and Storage (CCS) kann bei der angestrebten Begrenzung des Ausstoßes von Treibhausgasen aus Kraftwerken und der energieintensiven Industrie eine zentrale Rolle einnehmen. Eine globale Analyse der IEA aus 2013 zeigt, dass die CCS-Technologie bis 2050 8 Mrd. t CO2 / Jahr(kumuliert 120 Mrd. t) zur CO2 -Minderung beitragen kann. Die CCS- Technologie ermöglicht es, den wachsenden Energiebedarf und den steigenden Verbrauch fossiler Energieträger mit den Zielen des Klimaschutzes zu vereinen.

Vor allem bei der Förderung von Erdöl (Enhanced Oil Recovery, EOR) – wird dem Einsatz von CO2 eine hohe wirtschaftliche Bedeutung durch die Steigerung der Erdölförderung zugemessen. Weltweit gibt es laut der 2014 Statistik des Global CCS Institute (GCCSI) 60 CCS-Großprojekte in unterschiedlichen Planungsphasen. Die US-Regierung fördert z.B. acht CCS-Demonstrationsprojekte mit ca. drei Milliarden US-Dollar, davon werden rund 2 Mrd. US-$ in EOR-Projekte investiert. Während in Nordamerika CCS-Demonstrationsanlagen für Kraftwerke und andere Industrien bereits in Betrieb oder in Bau sind wurden in Europa noch keine abschließenden Investitionsentscheidungen getroffen."

Dieser eher optimistischen Einschätzung von CSS Techniken steht eine gewisse Skepsis in Europa gegenüber, die sich vor allem darauf bezieht, dass die langfristige Lagerung von CO2 über mehr als 50- 100 Jahre noch nicht abgesichert ist. Optimisten begegnen dem, dass es nicht um Lagerung für immer geht, sondern nur bis man z.B. durch Fusionskraftwerke saubere Energie in großen Mengen erzeugen kann, die man auch für die Verwertung von CO2 als Rohstoff einsetzen kann, siehe dazu den Austria-Forum Beitrag über Kohlendioxid.

(j) Erzeugung von Energie durch Verbrennen von Materialen, deren Herstellung CO2 benötigte, das nun zwar wieder frei wird, aber so der Gesamtvorgang insgesamt ungefähr CO2 neutral ist, Biogas, Biomasse. #

Man beachte, dass sowohl hierbei (c) als auch bei (b) die Verbrennung zur Erzeugung von Wärme verwendet werden kann, oder die explosive Verbrennung für den Antrieb von Motoren.

Interessante Alternativen#

Tatsächlich gibt es da gute Erfolge, die neben dem Hype für Windkraft und Fotovoltaik leider zu sehr untergehen, und zu wenig gefördert werden. Der einfachste Prozess ist das Verbrennen von Holz: Dabei wird Material verwendet, das bei seinem Wachstum über Photosynthese CO2 gebunden hat, das nun zwar wieder freigesetzt wird, aber von Neuaufforstungen wieder gebunden wird. Pelletheizungen, die leichter zu bedienen sind, gehören in diesen Bereich.

Algenfarmen, die viel CO2 binden und viele wertvolle Produkte sind, da besonders erwähnenswert und werden im Beitrag über Kohlendioxid angesprochen.

Zitat aus Wikipedia: Commercial and industrial algae cultivation has numerous uses, including production of food ingredients such as omega-3 fatty acids or natural food colorants and dyes, food, fertilizer, bioplastics, chemical feedstock (raw material), pharmaceuticals, and algal fuel, and can also be used as a means of pollution control... Business, academia and governments are exploring the possibility of using algae to make gasoline, diesel and other fuels. Algae itself may be used as a biofuel, and additionally be used to create hydrogen.

Energie aus Biomasse#

Es ist fair, hier auch den österreichischen Biomasseverband zum Wort kommen zu lassen: Die Bedeutung der Bioenergie ist in Österreich in den vergangenen Jahren stetig gestiegen. Sie ist mit einem Anteil von 58 Prozent der wichtigste erneuerbare Energieträger. Der Anteil der Bioenergie am gesamten Energieverbrauch konnte zwischen den Jahren 1990 und 2013 von neun auf 17 Prozent gesteigert werden, und dies ... war nur möglich, weil der Biomasseeinsatz seit dem Jahr 1970 absolut um mehr als das 5-fache ausgebaut werden konnte. Es ist wohl allgemein bekannt, dass der Dieselkraftstoff in Österreich inzwischen aus 15% Biodiesel besteht. (Darum gibt es den besonders teuren Superdiesel, der diese Beimengung nicht enthält.)

Transformation von Energieformen#

Es ist faszinierend, dass wir von jeder Energieform in jede andere Energieform (mit Verlusten) transformieren können, aber kaum eine Energieform als solche speichern können:

Wir können Licht erzeugen, aber nicht speichern.

Wir können kinetische Energie erzeugen (etwa ein Schwungrad in Bewegung setzen) aber die kinetische Energie geht uns durch Reibung verloren.

Wir können elektrischen Strom erzeugen, aber Batterien und Akkus sind noch immer unbefriedigend.

Was können wir wirklich an Energie speichern?

Wirklich effizient nur chemische Energie. 1000 l Treibstoff bleiben 1000 Liter Treibsoff über eine sehr lange Zeit!

Wir können Potentialenergie (meist in Form von Wasser) speichern. Speicherkraftwerke sind da ein gutes Beispiel.

Bis vor kurzem konnten wir auch Wärme nicht gut speichern: Der Tee in der Thermoskanne war nach einem Tag nur noch lauwarm. Nun scheint aber in der Wärmespeicherung ein erster Durchbruch gelungen zu sein: Feuchtet man Zeolithstückchen an und trocknet sie, dann wird die Trockenwärme in den Zeolithstückchen so lange gespeichert, bis eine Befeuchtung sie wieder frei gibt.

Um den Umfang dieses Beitrags nicht zu stark zu vergrößern, werden einige weitere Aspekte der Speicherung von Energie in einem eigene Beitrag Energiespeicherung behandelt.