Wozu brauchen wir Energie? - In unserem täglichen Leben wird die Fähigkeit der Energie Arbeit zu verrichten dazu benutzt, um sehr viele, unterschiedliche Dienstleistungen zur Verfügung zu stellen. Ein Beispiel ist der Transport von Personen und Gütern etwa durch Auto, Eisenbahn, Schiffe oder Flugzeuge.

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 dorthin, wo sie gebraucht wird?

Energie wird mit Hilfe so genannter Energieträger transportiert. 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. Andere 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 – im Gegensatz zu 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. Energieträger werden deshalb auch als Sekundärenergien bezeichnet. In einigen Fällen wie 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 freigesetzt. Die wird in Kernkraftwerken genutzt werden, um mit Hilfe von Dampfturbinen elektrischen Strom zu erzeugen, ganz ähnlich wie bei einem Kohle- oder Gaskraftwerk.

Als weiterer Energieträger könnte sich aller Voraussicht nach Wasserstoff für unser Energiesystem etablieren. Aber auch er muss aus Primärenergie über Umwandlungstechniken gewonnen werden. Er ist also selber keine Energiequelle sondern ein Medium, das sehr umweltfreundlich in Wärme oder Strom umgewandelt werden kann, weil hierbei nur Wasser entsteht.

Wirkungsgrade so hoch wie möglich

Beispiele für solche Umwandlungsprozesse sind Kraftwerke, in denen etwa aus Kohle elektrischer Strom erzeugt wird oder Erdölraffinerien zur Gewinnung von Benzin, Diesel oder Heizöl. Solarzellen, Windrotoren oder Wasserkraftwerke wandeln dagegen erneuerbare Energien in Strom um.

Der Weg von der Primärenergie bis zum Endverbraucher ist mit unterschiedlich großen Umwandlungsverlusten verbunden. Sie hängen von den Wirkungsgraden der Umwandlungstechniken ab, die auf diesem Weg eingesetzt wurden. So nutzt ein modernes, Steinkohle befeuertes Dampfkraftwerk nur etwa 45 Prozent der eingesetzten Primärenergie für die Erzeugung von elektrischer Energie, 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 die Ausnahme. Ein Auto etwa verwendet nur einen kleinen Teil der im Treibstoff gespeicherten Energie für seine Bewegung.

In der Sprache der Energietechnik wird die eingesetzte Energie in Nutzenergie (zum Beispiel 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 sie Wirkungsgrade der Umwandlungsprozesse stetig verbessern. Hierbei spielt die genaue Kenntnis der zugrunde liegenden Physik oft eine sehr wichtige Rolle. Insgesamt ist zu beobachten, dass seit 1990 in Deutschland der Primärenergieverbrauch pro 1000 Euro Bruttoinlandsprodukt bis zum Jahr 2011 um etwa 30 Prozent zurückgegangen ist. Es sind also Fortschritte in die richtige Richtung feststellbar.

Wie viel Energie wird benötigt?

Der Bedarf an Energie steigt weltweit immer weiter an. Er hat sich von 1971 bis 2010 weit 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 hatten 2010 nach Angaben des Energieunternehmens BP (Mitte 2011) und der Internationalen Energieagentur mit zusammen 13 Prozent einen deutlich kleineren Anteil an der Deckung des Weltenergiebedarfs. Der deutsche Anteil am Weltprimärenergiebedarf betrug 2010 mit gut 14 Exajoule nur 2,8 Prozent. Bei einer Einwohnerzahl von etwa 82,5 Millionen entspricht das einem Primärenergiebedarf pro Kopf von etwa 170 Gigajoule oder 48.000 Kilowattstunden.

Auch bei uns spielen die fossilen Energien bei der Primärenergieversorgung die tragende Rolle. So betrug nach Angaben der Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen und des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie im Jahr 2011 allein der Anteil des Mineralöls vor allem für den Verkehr, aber auch für die Beheizung unserer Gebäude, etwa 34 Prozent des Gesamtbedarfs an Primärenergie. Die übrigen Beiträge kamen vom Erdgas, Braunkohle, Steinkohle, aus Kernenergie, sowie zu geringeren Anteilen von Wind und Wasserkraft und von Photovoltaik, Brennholz, Brenntorf, Klärschlamm, Müll oder sonstigen erneuerbaren Energien (siehe Grafik).

Der relativ klein erscheinende Anteil der erneuerbaren Energien ist dadurch begründet, dass die Berechnung der Primärenergie nach der sogenannten Wirkungsgradmethode erfolgt. Dieses Prinzip wird angewendet, um verschiedene Primärenergien miteinander in ihrer Erzeugung von Nutzungsenergie vergleichen zu können. Dazu wird zum Beispiel die Stromerzeugung aus Wasserkraft und aus anderen erneuerbaren Energiequellen sowie das Stromaußenhandelssaldo (Import und Export von Elektrizität) zur Ermittlung der entsprechenden Menge an Primärenergie mit dem Faktor 3600 Kilojoule/Kilowattstunden multipliziert und damit auf einem Wirkungsgrad von 100 Prozent umgerechnet. Auf diese Weise wird eine Vergleichbarkeit mit den Statistiken internationaler Organisationen hergestellt.

Neben der Wirkungsgradmethode gibt es die sogenannte Substitutionsmethode. Bei dieser Methode wird als Primärenergieäquivalent für Strom aus Wasserkraft, Windenergie und Photovoltaik der Brennstoff angegeben. Dieser wird durch die Stromerzeugung des jeweiligen Energieträgers in konventionellen Kraftwerken ersetzt.

Zur Ermittlung des Primärenergieäquivalents für Strom aus Biomasse wird bei beiden Methoden ein sogenannter durchschnittlicher Substitutionsfaktor angewandt. Er wird ermittelt aus dem Verhältnis der für die Stromerzeugung in öffentlichen Kraftwerken eingesetzten fossilen Brennstoffe zur Bruttostromerzeugung aus diesen Energieträgern.

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 der Erzeugung von Kohlendioxid bei den Verbrennungsprozessen, die unser Klima langfristig empfindlich verändern können.

Die Erforschung und Entwicklung neuer Energietechniken, die aufgrund höherer Wirkungsgrade erheblich weniger Energie für die gleiche Dienstleistung einsetzen und die Umwelt damit weniger belasten, hat deshalb auch für die Physik einen sehr hohen Stellenwert.