Grundlagen der Energie und Ressourcen: Eine umfassende Übersicht

Energie: Grundlagen und Formen

Energie: Die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Etwa 99% der auf der Erde genutzten Energie stammt direkt oder indirekt von der Sonne. Energie kann in vielen Formen auftreten, wie Heizwert, elektromagnetische, mechanische, potenzielle, nukleare Energie usw. Konventionelle Energien umfassen solche, die aus fossilen Brennstoffen, der Kernspaltung von Uran und Wasserkraft gewonnen werden. Erneuerbare Energien (so genannt, weil sich ihre Verfügbarkeit innerhalb menschlicher Lebensspannen erneuert) oder alternative/neue Ressourcen erneuern sich nicht alle.

Energienutzung und Qualität

Qualität der Energie. Energie von höherer Qualität ist durch eine höhere Konzentration gekennzeichnet, während Energie geringerer Qualität in großen Mengen verstreut ist, was ihren praktischen Nutzen, selbst in großen Mengen, sehr gering macht.

Rentabilität. Dies ist ein sehr wichtiger Faktor bei der Nutzung einer Energiequelle und wird durch Zugang, einfache Bedienung und Transport bestimmt. Wir gehen davon aus, dass die Rentabilität einer bestimmten Energiequelle vom Preis abhängt.

Energie-Systeme

Energie-Systeme. Wir bezeichnen als Energiesystem alle Prozesse, die die gesamte Energieeffizienz von ihren ursprünglichen Quellen bis zur Nutzung umfassen. Die Phasen sind wie folgt:

• Erfassungsprozess oder Gewinnung von Primärenergie.
• Umwandlung in Sekundärenergie.
• Transport von Energieressourcen.

Jede Komponente eines Systems, die eine Energieform in eine andere umwandelt, um den Transport oder die Nutzung zu erleichtern, wird als Umwandler bezeichnet. Jede Umwandlung bedeutet einen Energieverlust.

Energieeffizienz. Die Effizienz eines Systems wird als das Verhältnis zwischen der dem System zugeführten Energie und der daraus gewonnenen Energie (Input/Output) ausgedrückt, üblicherweise als Prozentsatz.

Energiekosten. Wir bezeichnen die Energiekosten als den Preis, den wir für den Energieverbrauch zahlen. Es gibt jedoch auch andere versteckte Kosten, die mit den Anlagen und Einrichtungen der gesamten Energiekette verbunden sind.

Konventionelle Energiequellen

Heute sind fossile Brennstoffe weiterhin die größte Energiequelle. Diese Situation kann jedoch nicht lange aufrechterhalten werden, da viele dieser Quellen nicht erneuerbar sind.

Fossile Brennstoffe. Die theoretische Schätzung der Gesamtmenge eines fossilen Brennstoffs oder Minerals in der Erdkruste wird als Vorrat bezeichnet. Reserve wird als die Menge eines entdeckten fossilen Brennstoffs definiert, dessen Abbau wirtschaftlich rentabel ist. Derzeit stammen 79,6% der weltweit kommerziell genutzten Energie aus fossilen Brennstoffen. Die Lösung besteht darin, diese schrittweise durch Alternativen zu ersetzen, die weniger Auswirkungen auf die Umwelt haben.

Kohle

Kohle entstand durch die Ansammlung von Pflanzenresten auf dem Boden von Sümpfen, Lagunen oder Deltas, wo unter Sauerstoffabschluss ein Fermentationsprozess stattfand. Kohle ist ein Brennstoff mit hohem Heizwert und eine der am häufigsten vorkommenden Ressourcen (geschätzte Reserven für 220 Jahre bei aktuellem Verbrauchstempo), aber auch die umweltschädlichste aufgrund ihres hohen Schwefelgehalts. Bei der Verbrennung wird eine große Menge SO2 freigesetzt, was sie zur Hauptursache für sauren Regen macht. Die wichtigste Verwendung von Kohle ist die Verbrennung in Kraftwerken zur Stromerzeugung. Es ist derzeit nicht möglich, die thermische Leistung vollständig zu eliminieren, aber es gibt verschiedene Strategien, um ihre vielfältigen Auswirkungen zu minimieren:

• Ersatz des Brennstoffs durch einen mit geringerem Schwefelgehalt.
• Brennstoffvorbehandlung.
• Gestaltung effizienterer thermischer Kraftwerke.

Erdöl

Erdöl entstand durch das Massensterben von Meeresplankton, was aufgrund von Temperatur- oder Salzgehaltsänderungen zur Bildung von Sapropel (Parafango) mit Schlick und Sand führte. Die organische Substanz wird zu Öl, während Schlamm und Sand die Grundlage bilden. Der Transport erfolgt hauptsächlich über Pipelines, aber der üblichste Weg sind große Tanker, die ein hohes Unfallrisiko bergen. Öl ist eine dunkle Flüssigkeit, die leichter als Wasser ist. Im Falle eines Lecks kann es sich auf der Meeresoberfläche ausbreiten, den Sauerstoffeintritt blockieren und alles bestehende Leben vernichten. Rohöl, eine Mischung aus Kohlenwasserstoffgasen, Flüssigkeiten und Feststoffen, hat keine direkte Anwendung. Es muss einer Reihe von Prozessen unterzogen werden, bekannt als fraktionierte Destillation, bei der die Temperatur schrittweise erhöht wird, um die verschiedenen Fraktionen mit niedrigerem oder höherem Siedepunkt zu trennen. Das gewonnene Öl ist nicht für den Verzehr geeignet und muss weiter behandelt werden.

Erdgas

Erdgas entstand, wie der Rest des Öls, durch die Vergärung organischer Stoffe in Sedimenten. Seine Gewinnung ist sehr vorteilhaft, da der durch die Sedimente ausgeübte Druck das Gas von selbst fließen lässt, was den Betrieb sehr wirtschaftlich macht. Der Transport erfolgt hauptsächlich über Pipelines. Erdgas wird direkt in Haushalten und der Industrie eingesetzt und beginnt, Kohle als Wärmequelle zu ersetzen. Erdgas gilt als idealer Brennstoff für den Übergang zu anderen erneuerbaren Energiequellen.

Kernenergie: Kernspaltung

Atomkraft wurde als Allheilmittel für die Energieprobleme der Welt angesehen, wird aber heute auch als eine der gefährlichsten und unangemessensten Energieformen betrachtet.

Betrieb eines Kernreaktors

Durch die Spaltung eines Kerns von Uran-235 durch den Einschlag eines Neutrons entstehen zwei leichtere Kerne, wobei Energie und Neutronen freigesetzt werden. Diese Neutronen kollidieren mit weiteren Uran-Kernen und lösen deren Spaltung aus. Dies wird als positive Rückkopplungsschleife oder Kettenreaktion bezeichnet. Um die Reaktionsgeschwindigkeit zu kontrollieren, werden Moderatoren zwischen die Brennstäbe eingeführt, die Neutronen absorbieren, ohne neue Spaltungen auszulösen. Der Primärkreislauf, der mit dem radioaktiven Material in Berührung kommt, ist auf den Hauptreaktorbehälter beschränkt; das Wasser in diesem Kreislauf verlässt ihn nie. Der sekundäre Kühlkreislauf kühlt den durch den Primärkreislauf erzeugten Dampf. Es gibt einen dritten Kreislauf zur Verflüssigung des im Sekundärkreislauf erzeugten Dampfes, in den Wasser eintritt und verlässt, entweder aus einem Reservoir oder einem externen Fluss.

Wasserkraft

Die potenzielle Energie, die das Wasser auf seinem Weg von den Bergen zum Meer besitzt, wird in Stauseen in elektrische Energie umgewandelt. Durch das Öffnen der Schleusen wird diese Energie freigesetzt, um Turbinen anzutreiben. Wasserkraft ist kostengünstig und wartungsarm und emittiert keine Verschmutzung. Negative Aspekte sind jedoch die Verringerung der biologischen Vielfalt, Probleme bei der Fischwanderung, reduzierte Durchgängigkeit der Flüsse und Eutrophierung der Gewässer. Zudem entstehen geologische Risiken durch beschleunigte Erosion und Sedimentation, die zur Verlandung führen.

Alternative Energie

Um ihre zukünftige Verwendung zu bewerten, müssen Faktoren wie die aktuelle Verfügbarkeit und die Kosten berücksichtigt werden, da unsere Gesellschaft den Übergang zu anderen, derzeit nicht wettbewerbsfähigen Energiequellen vollziehen muss. Ein ernstes Problem bei der Einführung neuer Energien ist das Fehlen der erforderlichen Infrastruktur für deren Nutzung.

Energie aus der Sonne

Die wichtigste Energiequelle unseres Planeten ist die Sonne, aber die Erde fängt nur einen Bruchteil davon ein, der durch seine geringe Konzentration gekennzeichnet ist.

Passive Architektur-Systeme

Dabei werden Häuser gebaut, die passiv beheizt oder gekühlt werden, was effizienter und kostengünstiger ist, beispielsweise durch Gebäude mit gut isolierten Wänden und Dächern. Dies wird als bioklimatische Architektur bezeichnet und baut auf dem Wissen der traditionellen Architektur auf.

Solarthermie

Sie nutzt die Wärme der Sonne zur Stromerzeugung, indem Sonnenlicht erfasst und konzentriert wird (Kollektor) mit drei möglichen Ausführungen:

• Eine Parabolspiegelschüssel, die das Licht auf einen Punkt konzentriert.
• Ein parabolischer Kanal, der das Licht auf eine Linie konzentriert.
• Eine Reihe von flachen Spiegeln, die über eine große Fläche verteilt sind, um Licht auf einen zentralen Turm zu reflektieren.

Photovoltaik-Solarkraftwerke

Sie wandeln Sonnenlicht direkt in Strom um. Jede Zelle besteht aus monokristallinem Silizium, was die Herstellung sehr teuer macht. Photovoltaik erzeugt Strom ohne Schadstoffe, Lärm und bewegliche Teile. Die Anlagen benötigen nur minimale Wartung und kein Wasser. Nachteile dieser Energieform sind der benötigte Platz für die Installation, die optische Wirkung und die Variabilität der Produktion.

Energie aus Biomasse

Biomasse ist eine wichtige Quelle, die das aktuelle Energiedefizit lindern kann, da sie erneuerbar und potenziell sauberer ist. Sie wird durch eine breite Palette von Produkten bereitgestellt, darunter forstwirtschaftliche Erzeugnisse, tierische Abfälle oder Müll. Der Transport dieser Energie ist teuer. Die Nutzung der in der Biomasse gespeicherten Energie ist erneuerbar, wenn die verbrauchten Bäume nachwachsen.

• Siedlungsabfälle: Der Anteil an Abfällen, die als Brennstoff dienen, ist gestiegen. Die hohen Kosten moderner Müllverbrennungsanlagen haben dazu geführt, dass die bei der Verbrennung erzeugte Energie wieder genutzt wird.
• Umwandlung in Biokraftstoffe: Organische Abfälle können in flüssige oder gasförmige Biokraftstoffe umgewandelt werden. Ethanol kann durch Gärung und anschließende Destillation von Getreide gewonnen werden. Andere Biokraftstoffe sind Methanol und Bioöle.

Windenergie

Sie nutzt eine verbesserte Version der Windmühlen zur Umwandlung von Windkraft in elektrische Energie. Windenergie emittiert keine Verschmutzung. Negative Aspekte sind die optische Beeinträchtigung, der Tod von Vögeln und verstärkte Erosion.

Energie unabhängig von der Sonnenenergie

Gezeitenenergie

Die Wechselwirkungen zwischen Erde, Mond und Sonne erzeugen Änderungen des Meeresspiegels, wie Ebbe und Flut, aus denen elektrische Energie gewonnen werden kann. Die Funktionsweise ähnelt der von hydroelektrischen Dämmen und basiert auf dem Bau eines Damms in einer Bucht, durch den die Flut strömen kann.

Geothermie

Die im Erdinneren vorhandene Wärme ist ebenfalls eine Energiequelle. In einem geothermischen Kraftwerk kann kaltes Wasser durch Rohre in eine bestimmte Tiefe geleitet werden, um Wasserdampf zu sammeln, der durch andere Rohre unter Druck austritt. Man kann auch die Wärme nutzen, um Wasser für Heizung und Warmwasser für Haushalte bereitzustellen. Moderne Bohrungen haben Tiefen von 3500 Metern erreicht. Das Problem bei dieser Energieform ist, dass sie, obwohl sie sauber ist, nicht unbegrenzt nutzbar ist, da die thermische Energie der Quellen oft nicht länger als 15 Jahre anhält.

Wasserstoff-Brennstoffzellen

Wasserstoff ist das häufigste Gas im Universum. Aufgrund seiner Fülle wird Wasserstoff als ewiger Brennstoff betrachtet. Nach der Unterzeichnung des Kyoto-Protokolls begann ein Prozess der Umstellung auf saubere Energien, wodurch die Nutzung von Wasserstoff als Kraftstoff immer wichtiger wurde. Der ideale Mechanismus für seine Produktion ist die Elektrolyse, bei der Wasser mithilfe von Strom in seine Bestandteile zerlegt wird: Wasserstoff und Sauerstoff. Eine andere, noch ferner liegende Methode ist der Zerfall des Wassermoleküls durch direkte Einwirkung von Sonnenlicht (basierend auf Photosynthese).

Kernfusionsenergie

Kernfusion bezeichnet die Vereinigung leichter Atomkerne zu einem schwereren Kern, wobei eine enorme Energiemenge freigesetzt wird. Damit diese Reaktion stattfinden kann, müssen die Kerne sehr nahe beieinander sein, was nur bei hohen Temperaturen möglich ist, wenn Atome in einem vierten Aggregatzustand, dem Plasma, vorliegen. Es gibt kein Material, das ein Plasma einschließen kann; daher ist die einzige Lösung die Speicherung in magnetischen Flaschen. Eines der fortgeschrittensten Forschungsdesigns ist der Fusionsreaktor mit magnetischem Einschluss.

Effiziente Energienutzung

Die Steigerung der Energieeffizienz hat eine neue Quelle für Energieeinsparungen eröffnet. Ein Mechanismus zur Energieeinsparung ist die KWK, d. h. die kombinierte Erzeugung von zwei nutzbaren Energieformen.

Spezifische Maßnahmen im Bereich der Energienutzung sind:

• Steigerung der Effizienz in der Elektrizitätsanlage.
• Förderung durch Unternehmen durch sogenannte Sparprogramme und finanzielle Unterstützung für Verbraucher zum Kauf von Energiesparlampen und -geräten.
• Bewertung der tatsächlichen Kosten der verbrauchten Energie.
• Bewertung der versteckten Energiekosten.
• Verbrauchsreduzierung in verschiedenen Sektoren. Automobilunternehmen bringen effizientere Fahrzeuge auf den Markt. Heiz- und Warmwasserkosten stehen zu Hause an erster Stelle.
• Maßnahmen zur persönlichen Einsparung:
  • Nutzung öffentlicher Verkehrsmittel.
  • Sofortiger Kauf energieeffizienter Geräte.
  • Steigerung des Recyclings von Glas und Papier.

Mineralische Ressourcen

Unsere Gesellschaft benötigt einen kontinuierlichen Strom an Rohstoffen. Aufgrund ihrer Bedeutung wurden Bodenschätze im Laufe der Geschichte stark ausgebeutet. Die Erntemethoden haben sich parallel zur Entwicklung der ersten nützlichen Werkzeuge (Holz und Stein im späten Neolithikum) bis hin zu den schweren Maschinen unseres Jahrhunderts entwickelt.

Metallische Bodenschätze

Sie werden bei der Metallgewinnung und zur Energiegewinnung verwendet. Mineralien sind die Orte, an denen sich Elemente konzentrieren: die Lagerstätten. Damit eine Lagerstätte wirtschaftlich abbaubar ist, muss sie einen hohen Anteil eines bestimmten Metalls enthalten. Die Vorkommen an einem Ort werden als Minen bezeichnet. Metalle werden selten in reiner Form gefunden. Erze werden in reichlich vorhandene und knappe Metalle unterteilt. Der Abbau eines bestimmten Minerals hängt von seinem wirtschaftlichen Interesse ab. Die Reserven bestimmter Mineralien ändern sich im Laufe der Zeit: Mit steigender Nachfrage nach einem Metall steigt die Nutzung des es enthaltenden Minerals. Unter der Voraussetzung geeigneter Technologien können Bodenschätze in Reserven umgewandelt werden.

Die Stahlindustrie erfordert die Gewinnung von Eisen aus Erzen. Abhängig vom enthaltenen Kohlenstoffgehalt entstehen Gusseisen und Stahl.

Bergbau

Der Bergbau hat erhebliche Umweltauswirkungen. Die wichtigsten Auswirkungen sind:

• Auswirkungen auf die Atmosphäre.
• Auswirkungen auf das Wasser.
• Auswirkungen auf den Boden.
• Auswirkungen auf Flora und Fauna.
• Auswirkungen auf die Morphologie und die Landschaft.
• Soziokulturelle Auswirkungen auf die Umwelt.

Nichtmetallische Mineralische Ressourcen

Mineralien als Düngemittel

Düngemittel sind essenziell: Phosphor, Stickstoff und Kalium.

Im Bau verwendete Gesteine

Sie werden als Zuschlagstoffe bezeichnet und stammen von allen bekannten Gesteinsarten. Die wichtigsten sind:

• Bausteine: Seit der Antike vom Menschen als Unterschlupf, für Gräber oder Gottesdienste genutzt.
• Schotter: Wird für den Bau von Straßen, Eisenbahntrassen und für Beton verwendet.
• Sand und Kies: Beide werden aus Kiesgruben gewonnen, wo sie natürlich vorkommen.
• Zement: Eine Mischung aus Kalkstein und Ton, die Temperaturen über 1400 ºC ausgesetzt wird, wodurch Wasser und CO2 entweichen und das Material dann abbindet.
• Beton: Ein Gemisch aus Zement und Sand oder Kies.
• Gips: Gerösteter Gipsstein, der den größten Teil seines Wassers verliert.
• Ton: Tone werden seit der Antike als Baumaterial verwendet.
• Glas: Glas wird durch das Schmelzen billiger und reichlich vorhandener Rohstoffe bei 1700 ºC und anschließendes schnelles Abkühlen hergestellt.