Energiequellen und Biogeochemische Kreisläufe

Energiequellen

Erdgas

Erdgas ist ein Gemisch brennbarer Gase, die unterirdisch gefunden werden und manchmal mit Flüssiggasvorkommen verbunden sind. Der Hauptbestandteil ist Methan. Andere Kohlenwasserstoffe (Ethan, Butan und Propan) sind in kleineren Mengen vorhanden. Die Bildung von Erdgas verläuft parallel zur Entstehung von Erdöl, durch die Vergärung von angesammelter organischer Materie aus Sedimenten. Die Nutzung erfolgte später als die von Erdöl. Tatsächlich wurde Erdgas, das in den Ölfeldern auftrat, oft als Abfallprodukt abgefackelt. Aufgrund der Notwendigkeit neuer Energiequellen und der Entdeckung von Lagerstätten mit enormen Erdgasreserven wurden jedoch Lösungen für die Speicherung und den Transport gefunden. Die Förderung ist sehr einfach und kostengünstig, da das Gas durch seinen Eigendruck von allein strömt. Der Transport erfolgt über Rohrleitungen; für den Transport von einem Land zum anderen wird es verflüssigt (LNG) und bei sehr niedrigen Temperaturen transportiert.

Kernenergie

Kernenergie stammt aus Kernreaktionen von Radioisotopen. Die Grundlage dafür bildet Einsteins berühmte Gleichung (E = m × c²), wonach der Massendefekt zwischen Atomkernen und der Summe der Massen der Protonen und Neutronen, aus denen sie bestehen, auf die Energiemenge zurückzuführen ist, die zur Bindung dieser Kerne verwendet wird. Wenn Teilchen aus einem Kern freigesetzt werden, wird Energie freigegeben.

Die beiden verwendeten Prozesse sind die Kernspaltung und die Kernfusion.

Kernspaltung

Durch die Bombardierung eines schweren Kerns mit Neutronen zerfällt dieser in zwei leichtere Kerne und setzt große Mengen an Energie frei. Dabei werden zwei oder drei Neutronen freigesetzt, die wiederum weitere Spaltungen mit neuen Kernen verursachen können, welche neue Neutronen freisetzen, und so weiter. Diese Kettenreaktion ist das Prinzip der Atombombe und die Grundlage für den Betrieb von Kernreaktoren.

Kernfusion

Zwei sehr leichte Kerne verbinden sich zu einer schwereren und stabileren Form, wobei große Mengen an Energie freigesetzt werden. Um diese Fusion zu erreichen, müssen die ursprünglichen Kerne die elektrostatischen Abstoßungskräfte überwinden, was durch die Zufuhr von Heizenergie geschieht. Diese thermonuklearen Reaktionen finden in Fusionsreaktoren statt und gelten als Quelle potenziell billiger Energie, da der Brennstoff (Wasserstoff) reichlich vorhanden ist. Obwohl derzeit noch technische Schwierigkeiten bestehen, wird sie als die Energie der Zukunft betrachtet. Sie wurde bereits für militärische Zwecke bei der Herstellung der Wasserstoffbombe verwendet.

Wasserkraft

Wasserkraft ist Energie, die aus der Strömung von Flüssen gewonnen wird. Dämme, die durch Deiche oder Staumauern die Mündung des Tals verschließen, lassen Wasser ansammeln. Nach dem Bau der Anlage wird das Wasser des Reservoirs durch ein Rohr auf die Schaufeln einer Turbine geleitet, um einen elektrischen Generator in Gang zu setzen, wobei das Gefälle des Dammes genutzt wird. Die potenzielle Energie, die das Wasser aufgrund seiner Höhe und Masse besitzt, wird beim Fall in mechanische Energie in der Turbine und schließlich in elektrische Energie im Generator umgewandelt.

Das in Stauseen gespeicherte Wasser kann nicht nur zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden, sondern auch zur Regulierung der Flussströmungen, zur Gewährleistung der Versorgungssicherheit von Städten und Industrie sowie für Freizeitzwecke. Ein positiver Aspekt ist, dass das Wasser in der Natur ständig erneuert wird, sodass der in diesen Anlagen erzeugte Strom sauber und kostengünstig ist und der Wartungsaufwand der Anlagen minimal ist. Wasserkraft ist weiterhin die am häufigsten genutzte erneuerbare Energiequelle zur Stromerzeugung.

Alternative Energiequellen

Als alternative Quellen gelten jene, die herkömmliche Energiequellen ersetzen sollen und den Vorteil haben, sauber und vor allem erneuerbar zu sein. Sie gelten als Energien der Zukunft.

Solarenergie

Obwohl alle Energiequellen indirekt von der Sonne abgeleitet sind, beziehen wir uns hier nur auf die direkte Nutzung dieser Quelle, deren Rohstoff unerschöpflich und kostenlos ist. Sie wird in der Sonne durch einen Prozess der Kernfusion erzeugt und erreicht die Erde als elektromagnetische Strahlung. Da sie nicht direkt gespeichert werden kann, wandeln wir sie in thermische oder elektrische Energie um. Die wichtigsten Formen der Nutzung von Solarenergie sind die thermische Umwandlung, die Photovoltaik und das solare Bauen.

Photovoltaik

Beinhaltet die direkte Umwandlung von Licht in elektrische Energie durch den photovoltaischen Effekt. Dabei trifft die Sonnenstrahlung auf ein Halbleitermaterial, was zu einer Elektronenbewegung führt, die eine Potentialdifferenz und elektrischen Strom erzeugt. Dies geschieht mit Silizium-Solarzellen, die das Licht der Sonne einfangen und in Gleichstrom umwandeln. Diese Energie wird in Batterien gespeichert, um elektrische Energie auch außerhalb des Tageslichts bereitzustellen. Sie verursacht keine Verschmutzung und produziert Strom ohne Lärmemission. Nachteile sind der hohe Platzbedarf für die Anlage und ihre optische Wirkung.

Windenergie

Windenergie, die durch den Wind produziert wird, wird vom Menschen seit der Antike genutzt. Derzeit basiert die Nutzung auf der Umwandlung der kinetischen Energie des Windes in Elektrizität mittels Windkraftanlagen, die die grundlegenden Elemente eines Windparks darstellen. Sie bestehen aus einem Stahlturm, an dessen Spitze eine Windmühle mit zwei oder drei Rotorblättern installiert ist, die sich um eine horizontale Achse drehen und an einen Generator angeschlossen sind. Sie müssen so ausgerichtet sein, dass der Wind senkrecht auf die Rotationsebene trifft. Die Vor- und Nachteile dieser Energie sind vergleichbar mit denen der Solarenergie: Sie ist unerschöpflich, sauber und kostenlos, aber auch zerstreut, intermittierend und zufällig verfügbar. Negative Aspekte sind die optische Wirkung und der Tod von Vögeln. In Galicien und Andalusien gibt es Regionen mit großem Windpotenzial.

Biogeochemische Kreisläufe

Der Kohlenstoffkreislauf

Der Hauptweg des Kohlenstoffkreislaufs in der Biosphäre ist die Aufnahme von Kohlendioxid (CO₂) in die lebende Materie der Ökosysteme durch den Prozess der Photosynthese. Ein zweiter Weg der CO₂-Fixierung erfolgt durch biogene Prozesse in Schalen und Skeletten von Organismen. Kohlendioxid gelangt zurück in die Atmosphäre durch Zellatmung und Zersetzung, insbesondere durch die Umwandlung organischer Abfälle, die sich in Sedimenten oder im Boden angesammelt haben. Ein Teil des Kohlenstoffs wird durch einen langsamen Prozess aus dem Hauptkreislauf entfernt und speichert große Mengen in Sedimentgestein. Dieser Kohlenstoff gelangt wieder in den Hauptkreislauf durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe und organischer Materie oder durch die Auflösung von Karbonatgestein durch kohlensäurehaltiges Wasser. Im Laufe des zwanzigsten Jahrhunderts führte die verstärkte Nutzung fossiler Brennstoffe als Energiequelle zu erhöhten CO₂-Emissionen in die Atmosphäre und damit zu einer Zunahme seines Gehalts. Die langfristigen Auswirkungen können ein Problem für die Wachstumsdynamik der Biosphäre und das Klima darstellen.

Der Stickstoffkreislauf

Obwohl Stickstoff 78 Vol.-% der Atmosphäre ausmacht, kann er von der überwiegenden Mehrheit der Organismen nicht direkt genutzt werden. Er muss in assimilierbare, anorganische Ionen wie Nitrat umgewandelt werden, bevor er in lebende Materie aufgenommen werden kann. Organismen, die atmosphärischen Stickstoff binden können, sind:

• Symbiotische, stickstofffixierende Bakterien und Pilze.
• Freilebende Stickstofffixierer: wie aerobe Bakterien, anaerobe Bakterien und Cyanobakterien.

Das Eingreifen des Menschen in der industriellen Produktion von Düngemitteln führt dazu, dass die jährlich auf diese Weise fixierte Stickstoffmenge 10 % der natürlich fixierten Menge terrestrischer Ökosysteme überschreitet. Eine fehlerhafte Verwaltung stickstoffhaltiger Düngemittel und Abfälle kann zu einer schnellen Eutrophierung aquatischer Medien führen.

Wichtige Prozesse im Stickstoffkreislauf

• Ammonifikation: Nach der Aufnahme von Stickstoff sind Nitratanionen Produkte der Assimilation und Abfallprodukte des Stoffwechsels, wie stickstoffreiche organische Abfälle, die von Mikroorganismen (Zersetzern) in die anorganische Form Ammoniak umgewandelt werden.
• Nitrifikation: Die Umwandlung von Ammoniak zu Nitrat wird als Nitrifikation bezeichnet. Einige chemosynthetische Bodenbakterien führen diese Umwandlung in zwei Phasen durch: Nitrosomonas wandeln Ammoniak in Nitrit um, und Nitrobacter konvertieren Nitrit-Anionen in Nitrat-Anionen.
• Denitrifikation: Umwandlung von Nitratanionen in molekularen Stickstoff. Diese Prozesse werden von einigen Pilzen und denitrifizierenden Bakterien unter anaeroben Bedingungen durchgeführt. Die Denitrifikation findet in schlecht belüfteten Böden statt, die reich an organischen Stoffen sind.

Der Sauerstoffkreislauf

Der Sauerstoffkreislauf in der Biosphäre ist aufgrund der großen Anzahl chemischer Formen und Kombinationen, in denen er vorliegt, sehr komplex. Er liegt als molekularer Sauerstoff (O₂), als Bestandteil von Wasser (H₂O) und in organischen Verbindungen vor. Eine signifikante Erhöhung der Konzentration dieses Elements erfolgte erst nach der Entwicklung der Photosynthese. Sauerstoff ist eines der am häufigsten vorkommenden Gase, wobei seine Löslichkeit in Wasser sehr begrenzt ist. Die Sauerstoffproduktion durch Photosynthese erfolgt fast ausschließlich dort, wo Licht vorhanden ist. Sobald der Sauerstoff bei der Zersetzung organischer Substanz verbraucht ist, erfolgt eine streng anaerobe Freisetzung von CH₄, H₂, NH₃, H₂S, CO₂ und organischen Säuren.

Der Schwefelkreislauf

Schwefel ist Bestandteil von Aminosäuren und somit an der Struktur von Proteinen beteiligt. Der größte Teil des Schwefels wird von Organismen als Sulfat-Anion aufgenommen, das zuvor von vielen zersetzenden Bakterien und Pilzen mineralisiert wurde. Schwefel kann als Schwefeldioxid in die Atmosphäre gelangen, das bei der Verbrennung von Kohle und Erdöl entsteht. Anorganischer Schwefel in Form von Sulfat-Anionen kann unter anaeroben Bedingungen durch die Einwirkung von heterotrophen, sulfatreduzierenden Bakterien in elementaren Schwefel oder Schwefelwasserstoff umgewandelt werden. Die Anwesenheit von Schwefelwasserstoff in anaeroben Zonen aquatischer Ökosysteme ist für die meisten Organismen schädlich. Natürliche Quellen des Schwefelkreislaufs sind gasförmige Emissionen von Vulkanausbrüchen und Dimethyldisulfid (DMS) von Algen. Menschliche Aktivitäten sind für die Emission großer Mengen Schwefel in Form von SO₂ in die Atmosphäre verantwortlich, als Folge der Verbrennung fossiler Brennstoffe.

Der Phosphorkreislauf

Phosphor ist einer der wichtigsten Nährstoffe für Organismen. Er ist Bestandteil von Nukleinsäuren, Phospholipiden, ATP sowie den Skeletten und Schalen von Organismen. Er hat eine große ökologische Bedeutung als limitierender Nährstoff für die Ökosystemproduktion. Produzenten benötigen Phosphor in Form von anorganischem Phosphat für ihre Ernährung und zur Bildung organischer Moleküle. Zersetzer geben wiederum anorganisches Phosphat an die Produzenten zurück. Ein Großteil des Phosphats entweicht der Nahrungskette der Ökosysteme durch physikalische Verfahren wie Sedimentation. Die Ablagerung von Phosphat in Skeletten und Schalen führt über lange Zeiträume zu erheblichen Verlusten für die Ökosysteme.