Energiequellen & Energiesysteme: Eine umfassende Übersicht

Energie ist für alle Vorgänge im Universum unerlässlich. Ob die Bewegungen der Planeten und Sterne, die Aktivitäten von Lebewesen, tektonische Bewegungen, der Wasserkreislauf oder Meeresströmungen – all diese Prozesse benötigen Energie.

1. Energieverwendung

Energie ist eine Grundvoraussetzung für die Funktion aller Lebewesen. Darüber hinaus haben die Menschen Energie stets in zwei Formen genutzt:

• Die innere Energie oder endosomatische Energie, die dem Energieverbrauch zur Aufrechterhaltung der Körperfunktionen entspricht.
• Die externe Energieversorgung oder exosomatische Energie, die den restlichen Energieverbrauch umfasst. Dies ist die Energie, die wir für den Betrieb zahlreicher Geräte und Maschinen nutzen, um Licht, Wärme, Transport und vieles mehr zu ermöglichen.

2. Energiesysteme: Primär- und Endenergie

Als Energiesystem bezeichnen wir alle energierelevanten Prozesse, von den ursprünglichen Quellen bis zum Endverbrauch.

Primärenergie ist die Energie, die dem System zugeführt wird, um den Bedarf zu decken. Diese Energie durchläuft eine Reihe von Transformationen in der Kette, bis sie den Endverbraucher erreicht; dies ist die Endenergie des Systems.

Energiequellen sind natürliche Ressourcen, die entweder direkt als Primärenergie genutzt werden können oder durch technologische Prozesse in eine nutzbare Form der Endenergie für menschliche Bedürfnisse umgewandelt werden.

3. Nicht erneuerbare Energiequellen

Dies sind Energiequellen, die endlich sind und sich nur sehr langsam in geologischen Zyklen bilden. Zu den nicht erneuerbaren Energiequellen zählen:

• Fossile Brennstoffe: Sie entstanden vor Millionen von Jahren durch die Zersetzung von Mikroorganismen, Pflanzen oder Tieren, die unter Sedimenten begraben wurden.
• Radioaktive Elemente: Sie kommen in der Erdkruste als Bestandteil bestimmter Mineralien vor, wie zum Beispiel Uran in Pechblende.

3.1. Erdöl

Erdöl ist eine schwarzbraune, ölige Substanz, die aus einer Mischung von Kohlenwasserstoffen besteht.

Es entstand vor Millionen von Jahren, als große Mengen von Plankton und anderen Meeresorganismen in nährstoffreichen Gebieten abgelagert wurden.

Es wird durch Bohrungen als Rohöl extrahiert, aus dem anschließend die Raffination erfolgt. Diese besteht aus einer fraktionierten Destillation von Rohöl, die verschiedene Produkte wie Rückstände, Schweröl, Heizöl, Diesel, Kerosin, Benzin und Gasprodukte liefert.

3.2. Erdgas

Ähnlich wie Erdöl entsteht Erdgas durch die Zersetzung organischer Stoffe im Erdinneren. Es entspricht der leichteren Fraktion der Kohlenwasserstoffe, die bei der Zersetzung in gasförmiger Form vorliegt. Es besteht hauptsächlich aus Methan, kann aber auch Ethan, Propan usw. enthalten.

Es wird durch Bohrungen extrahiert und in der Regel per Pipeline oder als Flüssiggas in großen Gefäßen wie Tankern transportiert. Die Speicherung erfolgt in großen, kugelförmigen Tanks, den sogenannten Gasbehältern.

Erdgas wird direkt zum Kochen und als Brennstoff für Heizungsanlagen in Haushalten und der Industrie verwendet.

3.3. Kohle

Kohle entsteht, wenn große Mengen pflanzlichen Materials unter dicken Sedimentschichten begraben werden und einen Prozess der Karbonisierung durchlaufen.

Man unterscheidet verschiedene Kohlearten nach ihrem Kohlenstoffgehalt: Torf (ca. 50%), Braunkohle (ca. 70%), Steinkohle (ca. 80%) und Anthrazit (bis zu 95%).

Thermische Kraftwerke

Die bisher beschriebenen fossilen Brennstoffe sind von entscheidender Bedeutung für den Betrieb von Kraftwerken, die die chemische Energie dieser Brennstoffe in elektrische Energie umwandeln. In diesen Anlagen wird die durch den Brennstoff erzeugte Wärmeenergie genutzt, um Wasser zu erhitzen und Dampf zu erzeugen. Dieser Dampf treibt Turbinen an, die wiederum einen Turbogenerator in Bewegung setzen, welcher den Strom erzeugt.

3.4. Radioaktive Mineralien

Mineralien mit radioaktiven chemischen Elementen ermöglichen Kernspaltungsreaktionen zur Gewinnung von Kernenergie.

Bei Spaltreaktionen wird ein schwerer Atomkern mit Neutronen beschossen und spaltet sich in zwei leichtere Kerne, wobei große Mengen an Energie freigesetzt werden. Die Spaltung erfolgt in der Regel mit Urankernen.

Eine Kernspaltung ist eine Kettenreaktion, da bei der Spaltung eines Kerns Neutronen freigesetzt werden, die wiederum weitere Atomkerne spalten können.

4. Umweltauswirkungen nicht erneuerbarer Energien

Die Nutzung nicht erneuerbarer Energiequellen verursacht erhebliche Umweltauswirkungen, darunter Veränderungen und Belastungen, die durch ihre Endlichkeit und die drohende Verknappung in den kommenden Jahrzehnten verstärkt werden.

5. Erneuerbare Energiequellen

5.1. Wasserkraft

Wasserkraft wird durch die Energie fallenden Wassers erzeugt, das in Stauseen gespeichert wird.

Wasserkraftwerke

Wasserkraftwerke sind Anlagen, die die Energie des Wassers zur Stromerzeugung nutzen. Sie erfordern eine große Ansammlung von Wasser und einen Höhenunterschied. Dazu werden Stauseen und Talsperren gebaut, die das Wasser zurückhalten und den notwendigen Fall erzeugen.

5.2. Solarenergie

Die Energiemenge, die die Erde in nur 30 Minuten von der Sonne erhält, entspricht dem jährlichen Stromverbrauch der gesamten Menschheit.

Aktuelle Technologien ermöglichen es, dieses enorme Potenzial durch die Nutzung von Wärmeenergie (Solarthermie) oder Photovoltaik umzuwandeln.

Photovoltaische Umwandlung

Sie besteht aus der direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie. Hierfür werden Solarmodule (oft fälschlicherweise als Sonnenkollektoren bezeichnet) verwendet, die aus Zellen bestehen und durch eine große, entspiegelte Glasscheibe geschützt sind.

Innerhalb dieser Module befinden sich Photovoltaikzellen. Diese Zellen bestehen aus kleinen Einkristall-Silizium-Wafern, die als Halbleiter wirken.

5.3. Windenergie

Windenergie ist die Energie, die aus der Bewegung des Windes gewonnen wird. Seit Jahrhunderten nutzen Menschen die Windenergie, um Boote anzutreiben, Getreide in Windmühlen zu mahlen und vieles mehr.

Derzeit wird Windenergie hauptsächlich zur Stromerzeugung genutzt. Hierfür kommen Windenergieanlagen zum Einsatz, Maschinen mit rotierenden Rotorblättern, die durch den Wind in Bewegung gesetzt werden. Diese sind an einen Generator gekoppelt, der die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt.

5.4. Gezeitenenergie

Gezeitenenergie basiert auf der Nutzung der durch die Gezeiten verursachten Wasserströmungen.

Damit diese Energieform wirtschaftlich nutzbar ist, müssen zwei grundlegende Bedingungen erfüllt sein:

• Der Unterschied des Wasserstandes zwischen Ebbe und Flut sollte sehr groß sein.
• Das Küstenrelief muss den Bau von Dämmen ermöglichen.

5.5. Geothermische Energie

Geothermische Energie ist die Wärmeenergie, die aus dem Erdinneren stammt.

Die Temperaturzunahme mit der Tiefe wird als geothermischer Gradient bezeichnet. Dieser Gradient beträgt in der Regel etwa 3 °C pro 100 m. Es gibt jedoch bestimmte Gebiete, in denen eine geothermische Anomalie auftritt und der Gradient höher als üblich ist, was hauptsächlich auf regionalen Vulkanismus und Plattentektonik zurückzuführen ist.

5.6. Biomasse

Als Biomasse gilt jegliche organische Materie, die durch Stoffwechselprozesse von Lebewesen erzeugt wird.

Biomasse wird seit Jahrhunderten als Energiequelle genutzt, wobei Holz die wichtigste Ressource für die Wärmeerzeugung war.

Weitere Anwendungen umfassen die Herstellung von Biokraftstoffen:

• Die aerobe Fermentation erzeugt Alkohol.
• Die anaerobe Fermentation erzeugt das sogenannte Biogas, dessen Hauptbestandteil Methan ist.

6. Merkmale des globalen Energiesystems

Das derzeitige globale Energiesystem ist gekennzeichnet durch:

• Die Dominanz nicht erneuerbarer Energieträger.
• Die erheblichen Umweltauswirkungen durch die Gewinnung und Nutzung von Energiequellen.
• Das Ungleichgewicht bei der Energienutzung: Industrieländer verbrauchen deutlich mehr Energie als Entwicklungsländer.