Der Fluss der Energie

Andere Beispiele sind die Beheizung und Beleuchtung unserer Häuser, die Arbeit von Motoren, Pumpen und sonstigen Anlagen in den Industriebetrieben, die Nutzung medizinischer Geräte in den Kliniken oder die gesamte moderne Kommunikation wie Internet, Telefon, Computer und Fernsehen. Aber nicht nur solche oder viele andere Dienstleistungen unseres täglichen Lebens benötigen Energie. Auch das Wachstum der Pflanzen und das Leben aller anderen Organismen wären ohne die ständige Zufuhr von Energie nicht möglich.

Wie kommt Energie nach dort, wo sie gebraucht wird?

Das geschieht mit Hilfe so genannter Energieträger. Durch sie wird die Energie dorthin transportiert, wo sie für die Umwandlung in eine Dienstleistung benötigt wird. Bei den Pflanzen ist es das Sonnenlicht, also Energiezufuhr durch elektromagnetische Strahlung von der Sonne zur Erde. Bei der Heizung unserer Wohnungen werden Öl, Gas, Kohle, Strom oder Fernwärme als Energieträger eingesetzt. Viele Geräte, die wir täglich benutzen, würden ohne elektrischen Strom ebenso wenig funktionieren wie Eisen- und Straßenbahnen. Und unsere anderen Transportsysteme benötigen eine ständige Zufuhr von Treibstoffen wie Benzin, Diesel oder Kerosin. Treibstoffe, Heizöl oder Strom müssen durch technische Prozesse erst erzeugt werden, denn sie kommen in der Natur nicht vor wie Sonnenlicht, Wind, Wasserkraft, Kohle, Erdöl oder Erdgas, die deshalb auch Primärenergien genannt werden. Sie sind die Quellen, die unser sehr komplexes Energiesystem speisen, an dessen Ende die vielfältigen Dienstleistungen stehen, die unsere Volkswirtschaft oder unsere Haushalte benötigen.

Dazu werden die Primärenergien mit Hilfe unterschiedlicher technischer Prozesse in Energieträger umgewandelt. Sie werden deshalb auch als Sekundärenergien bezeichnet. In einigen Fällen wie z.B. bei Kohle, Gas oder Sonnenlicht (als Lichtquelle) können Primärenergie und Energieträger identisch sein. Als zusätzliche Primärenergiequelle steht uns die Kernenergie zur Verfügung. Dazu wir die Energie genutzt, die bei Kernreaktionen schwerer chemischer Elemente erzeugt wird. Hierzu gehört vor allem das Uran, denn bei der Spaltung des Atomkerns von Uran-235 durch Einfang von thermischen Neutronen wird Energie in Form von Wärme frei gesetzt. Die kann in Kernkraftwerken genutzt werden, um mit Hilfe von Dampfturbinen elektrischen Strom zu erzeugen, wie z. B. bei einem Kohle- oder Gaskraftwerk. Als ein weiterer Energieträger wird sich aller Voraussicht nach der Wasserstoff für unser Energiesystem etablieren. Auch er muss aber aus Primärenergie über Umwandlungstechniken gewonnen werden. Er ist also selber keine Energiequelle wie z. B. Erdgas sondern ein Medium, das sehr umweltfreundlich in Wärme oder Strom umgewandelt werden kann, weil hierbei nur Wasser entsteht.

Energieflüsse in Deutschland.

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Diese Übersicht zeigt, woher in Deutschland die Energie kommt und wofür sie gebraucht wird.

Wirkungsgrade so hoch wie möglich

Beispiele für solche Umwandlungsprozesse sind Kraftwerke, in denen etwa aus Kohle elektrischer Strom erzeugt wird oder Erdöl-Raffinerien zur Gewinnung von Benzin, Diesel oder Heizöl. Aber auch Solarzellen, Windrotoren oder Wasserkraftwerke zur Stromerzeugung sind solche Umwandlungstechniken zur Erzeugung von Strom aus erneuerbaren Energien. Im täglichen Leben sind es mehr die kleineren Dienstleistungen der Waschmaschine, der Schreibtischlampe oder der Gasheizung im Keller, die uns tagaus und tagein auf Knopfdruck zur Verfügung stehen.

Der Weg von der Primärenergie bis zu den Dienstleistungen ist mit unterschiedlich großen Umwandlungsverlusten verbunden. Sie hängen von den Wirkungsgraden der Umwandlungstechniken ab, die auf diesem Weg eingesetzt wurden. So wird bei einem modernen Steinkohle befeuerten Dampfkraftwerk nur etwa 45 Prozent der eingesetzten Primärenergie für die Erzeugung von elektrischer Energie genutzt, der Rest erscheint in Form von Wärme, die als Verlust über Kühlanlagen wie Kühltürme abgeführt werden muss. Bei einer elektrischen Widerstandsheizung wird jedoch praktisch die gesamte elektrische Energie in Heizwärme umgesetzt. Solch hohe Wirkungsgrade sind leider eher die Ausnahme. Ein Auto etwa verwendet nur einen kleinen Teil der im Treibstoff gespeicherten Energie für seine Bewegung, auch wenn man von roten Ampeln und Staus einmal absieht.

In der Sprache der Energietechnik wird die eingesetzte Energie in Nutzenergie (z. B. Transport oder Licht) und Verlustenergie umgewandelt. Dieses Schema gilt allgemein für unser Energiesystem, wobei das Verhältnis zwischen Primärenergie und Nutzenergie im Jahr 2002 etwa 2,9 betrug. Das entsprach einem fiktiven Gesamtwirkungsgrad von 34 Prozent für das gesamte Energiesystem der Bundesrepublik Deutschland.

Die Ingenieurwissenschaften sind seit jeher bemüht, die Umwandlungsverluste unseres Energiesystems soweit wie möglich zu verringern, indem die Wirkungsgrade der Umwandlungsprozesse stetig verbessert werden. Hierbei spielt sehr oft auch die genaue Kenntnis der zugrunde liegenden Physik eine sehr wichtige Rolle. Insgesamt ist zu beobachten, dass seit 1990 in Deutschland der Primärenergieverbrauch pro 1000 € Bruttoinlandsprodukt jährlich um ca. 1,6% zurückgegangen ist. Es sind also Fortschritte in die richtige Richtung feststellbar.

Wie viel Energie wird benötigt?

Überblick Weltenergiebedarf.

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Mehr als verdoppelt hat sich der Weltenergiebedarf in den letzten 35 Jahren.

Der Bedarf an Energie steigt weltweit immer weiter an. Er hat sich von 1971 bis 2005 mehr als verdoppelt. Es dominieren nach wie vor die fossilen Energien Öl, Erdgas und Kohle, bei deren Verbrennung das klimaschädliche Kohlendioxid (CO₂) entsteht.

Erneuerbare Energien und die Kernenergie als nicht-fossile Energiequellen hingegen haben mit zusammen 19 Prozent bisher nur einen deutlich kleineren Anteil an der Deckung des Weltenergiebedarfs. Der deutsche Anteil am Weltprimärenergiebedarf betrug 2005 mit gut 14 Exajoule etwa drei Prozent. Bei einer Einwohnerzahl von etwa 82,5 Millionen entspricht das einem Primärenergiebedarf von ca. 5,5 Kilowatt pro Kopf.

Energiebedarf in Deutschland.

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Der Energiehunger Deutschlands wird aus diesen verschiedenen Quellen gestillt.

Auch bei uns spielen die fossilen Energien die tragende Rolle, allen voran das Mineralöl vor allem für den Verkehr, aber auch noch immer für die Beheizung unserer Gebäude. Von den nicht-fossilen Energiequellen hat die Kernenergie einen etwa konstanten Anteil von gut zwölf Prozent. Der Anteil erneuerbarer Energien in Form von Wasserkraft, Wind und Biomasse hingegen steigt stetig weiter an.

Energieforschung: Eine Herausforderung auch für die Physik

Insgesamt stellt das Energiesystem eines modernen Industriestaates ein sehr komplexes Gebilde dar. Wir sind es gewohnt, dass dieses System stets zuverlässig und ohne Störungen funktioniert. Strom kommt stets aus der Steckdose, Treibstoffe werden zwar immer teurer, sind aber immer ausreichend vorhanden, und das gleiche gilt für ausreichend geheizte Wohnungen oder Büroräume. Wie sehr unsere tägliche Welt von den verschiedenen Formen von Energiedienstleistungen geprägt wird, ist uns im Alltag oft wenig bewusst. Bewusster geworden sind uns jedoch über die Jahre zwei Dinge: Erstens sind wir stark abhängig von der Einfuhr von Energie in Form von Öl und Gas, aber auch von preiswerter Kohle, und zweitens ist die Nutzung von Energie oft mit erheblichen Umweltbeeinträchtigungen verbunden, wie z.B. der Erzeugung von Kohlendioxid bei den Verbrennungsprozessen, die unser Klima langfristig empfindlich verändern können.

Die Erforschung und Entwicklung neuer Energietechniken, die uns helfen z. B. aufgrund höherer Wirkungsgrade erheblich weniger Energie für die gleiche Dienstleistung einzusetzen und die damit dazu beitragen, die Umwelt wesentlich weniger zu belasten, hat deshalb auch für die Physik einen sehr hohen Stellenwert.