Mittwoch, 03. Juni 2020

Energie bedeutet Wirksamkeit und Tatkraft

Energie und ihre Bedeutung für die Umwelt, den Klimawandel und den Lebensstandard

Kreis Holzminden (23.09.19). An preiswerter und leicht verfügbarer Energie hängt unser Wohlstand. Energie macht uns mobil, hält uns im Winter warm und im Sommer kühl, erhellt die Abendstunden und lässt Maschinen für uns arbeiten. Ohne Energie und ihre Umwandlung in verschiedene Formen könnten wir nicht leben. Man kann sie nicht sehen oder anfassen, nur ihre Wirkungen werden für uns erkennbar. Energie ist ein zentraler physikalischer Begriff, dessen Bedeutung gar nicht hoch genug bewertet werden kann. Daher wird im folgenden Text der vielleicht gewagte Versuch unternommen, auf einer Seite wesentliche Einzelaspekte des Themas zu beleuchten.

Das Wort Energie kommt aus der griechischen Sprache und bedeutet Wirksamkeit, Tatkraft. Sie bewirkt also etwas, beispielsweise vermag sie ein Auto zu bewegen, einen Stoff zu erwärmen oder Licht auszustrahlen. Dabei wandelt sie sich in verschiedene Formen um.

Die physikalische Einheit zur Beschreibung der Energiemenge ist das Joule (J). Energie kann auch fließen, beispielsweise als Wärme oder Elektrizität. Dieser Energiefluss, also Energie pro Zeit, wird als Leistung bezeichnet und hat die Einheit Joule pro Sekunde. Hierfür gibt es eine eigene Einheit Watt (W), 1 W = 1 J/s.

Energieformen

„Vun nix kütt nix“ (von nichts kommt nichts) sagt man in Köln und beschreibt damit auch eine wesentliche Eigenschaft der Energie beziehungsweise bei der Umwandlung einer Energieform in eine andere. Energie kann weder entstehen noch vernichtet werden. In der Wissenschaft entspricht der kölsche Spruch sinngemäß dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik.

Wir begegnen Energie in unterschiedlichen Formen. Eine gespannte Feder kann Arbeit leisten (Spannenergie), zum Beispiel in einem Luftgewehr eine Bleikugel beschleunigen. Um ein Gewicht auf ein höheres Niveau zu heben, wird Muskelenergie, die wir aus der chemischen Energie der Nahrung gewonnen haben, in die Energie der Lage (potenzielle Energie) umgewandelt. Fällt das Gewicht herunter, wandelt sich die Energie der Lage in Bewegungsenergie (kinetische Energie) um. Fährt ein Auto gegen eine Mauer, so wird die Bewegungsenergie in die Zerstörung des Materials umgewandelt. Neben der Verformung entsteht Wärme. Mit einem Verbrennungsmotor kann man die chemische Energie eines Treibstoffes in Bewegungsenergie und Wärme verwandeln. Treibt der Motor einen elektrischen Generator, so entsteht elektrische Energie, die über eine Kupferleitung in unser Haus fließt und dort in Wärme (Herdplatte) oder Licht und Wärme (Lampe) oder Bewegung (Küchenmixer) umgewandelt wird.

Eine extrem hohe Energiemenge steckt in den Bausteinen der Materie. Über Kernspaltung und -fusion lassen sich gewaltige Energiemengen freisetzen, die in einer Atombombe zur Zerstörung führen, jedoch auch im Kernreaktor zunächst zu Wärme und dann zu elektrischer Energie verwandelt werden.

Energieumwandlung
in unserer Umwelt

Letztlich stammt alle irdische Nutzenergie von der Sonne und damit aus Kernfusion, bei der Wasserstoff zu Helium verschmolzen wird.

Infolge der Kernfusion entsteht auf der Sonnenoberfläche eine Temperatur von 6.000 Grad Celsius. Innerhalb von gut acht Minuten erreicht die abgestrahlte Sonnenenergie unsere Erde. Pflanzen und Bäume empfangen diese und bauen über Photosynthese mit Hilfe des Sonnenlichtes Biomasse auf, die im Wesentlichen aus Kohlenstoff besteht. Als Holz können wir diese direkt verbrennen und als Heizwärme nutzen. Über einige hundert Millionen Jahre entstehen jedoch aus der Biomasse unter Druck die fossilen Brennstoffe Erdöl, Kohle und Erdgas, die wir heute intensiv nutzen.

Wir können auch die Sonnenstrahlung über Solarzellen direkt in Elektrizität umwandeln. Indirekt stammt auch Elektrizität aus Windrädern aus der Sonnenenergie. Wind entsteht aus großräumigen Druckunterschieden zwischen Hochs und Tiefs, die wiederum aus  der ungleichmäßige Einstrahlung des Sonnenlichtes auf der Erdoberfläche resultieren.

Energieinhalt verschiedener Energieformen

Zur Nutzung für die Menschen ist es ganz entscheidend, wie „konzentriert“ die Energie bei einem Energieträger vorliegt. Entsprechend kann man mehr oder weniger Energie speichern. Bei dieser „Energiedichte“ gibt es gewaltige Unterschiede. In der Tabelle ist angegeben, wie viel Energie in MJ in einem kg gespeichert ist. Ein MJ (Megajoule) entspricht einer Million Joule.

Nachfolgend sind jeweils nacheinander der Energieträger, die Energiedichte in MJ/kg und die Energieform genannt:

Bleiakku Auto/0,11/chemisch; NiCd-Akku/0,14/chemisch; Schwungrad/0,18/mechanisch; Alkali-Mangan-Batterie/0,45/chemisch; Li-Ionen Akku/0,65/chemisch; Sprengstoff (TNT)/4,6/chemisch; Holz/16,8/chemisch, Verbrennung; Steinkohle/34/chemisch, Verbrennung; Benzin/42/chemisch, Verbrennung; Kernspaltung Uran/79.000.000/nuklear; Kernfusion/300.000.000/nuklear.

Es ist erstaunlich, in welchem Maße die Energiedichte variiert. Im Vergleich zu fossilen Brennstoffen wie Benzin (42 MJ/kg) ist die Speicherkapazität von Batterien und Akkumulatoren (LI-Ionen Akku 0,65 MJ/kg) sehr bescheiden. Auch wenn man berücksichtigt, dass im Verbrennungsmotor nur 40 Prozent in  Bewegung und 60 Prozent in Wärme umgewandelt wird, so bleibt eine signifikante Überlegenheit von Benzin und auch Diesel (43 MJ/kg). Noch ist der Verbrennungsmotor dem Elektromotor durch dessen begrenzte Akkukapazität deutlich überlegen, zumindest wenn man nur die Energiedichte betrachtet.

Die Zahlen zeigen auch das gewaltige Potenzial der in den Bausteinen der Materie vorhandenen nuklearen Energie. Diese liegt millionenfach über dem Wert der fossilen Brennstoffe. Leider bleiben bei der Kernspaltung radioaktive Rückstände, die noch für sehr lange Zeiten strahlen. Die Entsorgung ist noch nicht gelöst. Die Kernfusion hat dieses Problem nicht, ist aber technisch noch nicht beherrschbar. Gerade wird in Südfrankreich ein erster Versuchsreaktor ITER (Latein: der Weg) für rund sieben Milliarden Euro gebaut.

Energie und
Lebensstandard

Einführend wurde schon erwähnt, dass unser Wohlstand von preiswerter und leicht verfügbarer Energie abhängt. Mit steigendem Einkommen wächst die Größe der zu beheizenden Wohnung und des Autos, die Anzahl und Entfernung von Urlaubsreisen nehmen zu, ebenfalls die Anzahl der Elektrogeräte im Haushalt. Es verwundert daher nicht, dass der Energieverbrauch mit steigendem Einkommen zunimmt.

Wer mehr verdient, lebt also in der Regel umweltschädlicher. Dies lässt sich leicht am Beispiel Mobilität zeigen. Mobilität ist ein hohes Gut, erfordert jedoch Bewegungsenergie, die wir auch gerne für unser Vergnügen einsetzen, zum Beispiel für eine Urlaubsreise oder den Besuch von Freunden. Je nach benutztem Verkehrsmittel verbrauchen wir aber unterschiedlich viel Energie.

Danach verbraucht die Nutzung der Bahn nur knapp 40 Prozent des Energieverbrauches einer Flugreise und nur 31 Prozent einer Autofahrt. Für die Urlaubsreise auf die Kanarischen Inseln ist allerdings die Bahn nur begrenzt geeignet. Die Luftfahrtindustrie hat das Problem erkannt und Deutschland will eine nationale Wasserstoffstrategie starten. Über Elektrolyse lässt sich Wasserstoff aus regenerativ erzeugtem Strom herstellen, der bei einer Reaktion mit CO2 zu synthetischem Kraftstoff umgewandelt wird. Damit sollen langfristig die rund 850.000 Arbeitsplätze in der deutschen Luftfahrtbranche gesichert werden. Leider ist der Weg der Energieumwandlung von elektrischer in chemische Energie über Elektrolyse mit hohen Verlusten behaftet. Die Alternative, nämlich Akkus, sind für größere Flugzeuge zu schwer, so dass aktuell kein anderer Weg gangbar erscheint. Fliegen wird wohl wieder deutlich teurer werden.

Energie und Klimawandel

Um die gespeicherte chemische Energie der fossilen Brennstoffe Kohle, Erdöl und Erdgas nutzen zu können, müssen diese verbrannt werden. Der enthaltene Kohlenstoff reagiert mit dem Luftsauerstoff zu Kohlendioxid. Bei der Verbrennung wird Wärme frei, die entweder zu Heizzwecken direkt genutzt werden kann oder in einem Kraftwerk teilweise zu Strom umgewandelt wird.  Der Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre steigt durch diese Prozesse an. Da Kohlendioxid ein Treibhausgas ist, erwärmt sich die Erde.

Die mittlere Temperatur hat sich bereits erhöht und der Trend scheint ungebrochen, beziehungsweise beschleunigt sich sogar.

In der Wissenschaft gibt es einen breiten Konsens über die Ursache dieses Effekts, wenn auch eine kleine Minderheit von Wissenschaftlern Zweifel hegt. Es sind globale Lösungen gefragt, die nur durch internationale Kooperation angegangen werden können. Wir müssen von fossilen Brennstoffen auf regenerative Energieträger umsteigen. Ob dies gelingt ist fraglich. Zur Zeit ist jeder Bundesbürger gut für neun Tonnen CO2 pro Jahr. Dieser Wert muss auf ein bis zwei Tonnen reduziert werden. Ohne Einbußen an unserem gewohnten Lebensstil wird dies wohl nicht gehen.

Wie weit der Weg ist, den verschiedene Länder zu gehen haben, zeigt anschaulich die folgende Aufstellung (jeweils Platz, Land und CO2- Emission in Tonnen: 1/Katar/30,77; 3/Kuwait/22,25; 8/Australien/16,00; 10/USA/14,95; 15/Kasachstan/12,92; 20/Russland/9,97; 24/Deutschland/8,88; 40/China/6,57; 62/Frankreich/4,38; 90/Ägypten/2,14; 113/Honduras/1,00; 146/Äthiopien/0,11.

Länder mit hohen Emissionen haben erhebliches  Potenzial, ihre Emissionen zu reduzieren. In den entscheidenden Schlüsselländern wie USA, China, Indien, Brasilien, Russland scheint jedoch der politische Wille zu fehlen, sich den Problemen zu stellen. Die Entwicklungsländer haben Nachholbedarf und werden wohl eher noch zulegen.

Zusammenfassung und Ausblick

Energie ist ein Schlüsselbegriff in der Physik. Sie kommt in verschiedenen Formen vor, die teilweise ineinander umgewandelt werden können. Energie kann weder geschaffen werden oder verloren gehen.

Unser Wohlstand hängt von preiswerter und verfügbarer Energie ab. Fossile Brennstoffe haben eine hohe Energiedichte und sind preiswert. Bei der Umwandlung der in ihnen gespeicherten chemischen Energie in eine nutzbare Form entsteht jedoch  Kohlendioxid, das als Treibhausgas maßgebend zur Erderwärmung beiträgt. Wir müssen auf umweltverträgliche Energieformen umsteigen und/oder Energie einsparen. Es ist fraglich, ob dies gelingen wird. (Dr. Norbert Kalkert)