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Energie#

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 Atromreaktoren 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 Prozentsazt 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 Engergieträgern nur Biomasse eine größere Rolle spielt!

Verteilung der weltweiten Energieerzeugung nach Energieträgern im Jahr 2014 #

(nach http://www.statista.de)
  • 31,3% Erdöl:
  • 28,6% Kohle/Torf
  • 21,2% Erdgas
  • 10,3% Biokrafttoff
  • 4,8% Kernenergie
  • 2,4% Wasserkraft
  • 1,4% Andere: Geothermie, Photovoltaik, Windenergie, Wärme

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.

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

Wurde bereits oben behandelt.

(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 eine 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 und Alternative Energie, direkt 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 Wäremenergie 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 Wärmedidfferenz 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 Potentialenergie ("potentielle Energie") #

Dies wird im größten Stil bei Speicherkraftwerken verwendet, wo ja das Potential 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
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 seine Erzeugung reduzieren, zumindestens so lange, bis man die Vernichtung oder Wiederverwendung von CO2 im Griff hat.

(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 hier bei (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 C2 binden und viele wertvolle Produkte sind, da besonders erwähnenswert und werden im Beitrag über CO2 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.

Weiterführendes#

Weitere Beiträge und Firmen zum Thema Energie.