Energie

Eine anschauliche, wenn auch aus heutiger Sicht leicht unvollständige Fassung der wichtigsten Eigenschaft des Begriffes „Energie“ (aus dem Griechischen energeia, wirkende Kraft – vgl. HARTMANN, 2004) lieferte Max Planck 1897: „Energie ist die Fähigkeit eines Systems, äußere Wirkungen hervorzubringen.“ Energie wird jedoch oft auch als „...die Fähigkeit eines Systems, Arbeit zu verrichten oder Wärme abzugeben“ definiert (aus: HARTMANN, 2004). Die energetischen Erscheinungsformen können sehr unterschiedlich sein: Energie als Bewegungs- oder Ruheenergie (kinetische E. und potentielle E.), in Form von Wärme oder elektromagnetischen Wellen, chemische Energie und als elektrische Energie. Energie kann von einer Form in die andere überführt werden, geht jedoch nach dem ersten Satz der Thermodynamik („Energieerhaltungssatz“) nie verloren. Die Summe aus allen Erscheinungsformen der Energie bleibt innerhalb eines geschlossenen Systems immer gleich (HAKIUS 2001). Im Rahmen dieses Textes ist unter dem Begriff „Energie“ ausschließlich elektrische- und Wärmeenergie gemeint.

Elektrische Energie (Strom) entsteht aus gerichteter Elektronenbewegung, die innerhalb eines negativ und positiv gepolten Leiters stattfindet. Die Fließrichtung kann sowohl gleichlaufend (Gleichstrom) als auch permanent wechselnd (Wechselstrom) sein. Elektrischer Strom wird in der überwiegenden Anzahl heutiger Kraftwerke aus der Umwandlung von Wärmeenergie erzeugt.

Wärmeenergie entsteht bei Abstandsänderungen von Elektronen vom Idealorbitalumlauf. Die mit der Beherrschung des Feuers bereits seit Jahrtausenden gebräuchlich genutzte Form der Wärmeenergie kann vereinfacht auch als „Schalenenergie“ bezeichnet werden. Diese wird frei, wenn Elektronen zum Verlassen ihrer angestammten Orbitale gezwungen werden. Dieser Prozess läuft bei normaler oxidativer Verbrennung ab und ist z.B. die physikalisch/chemische Grundlage aller fossil befeuerten Kraftwerkstypen. Aufgrund der geringen Bindungskräfte zwischen Atomkern und Schale werden hier im Verhältnis zur Menge eingesetzten Brennstoffes relativ geringe Energiemengen frei.

Ein um vielfaches höheres Energiepotential kann bei der Trennung von Teilen innerhalb des Atomkerns nutzbar gemacht werden. Die zwischen den Kernteilchen herrschenden elektrostatischen Bindungskräfte sind so gewaltig, dass bei Kernspaltung eine ungeheure Energiemenge freigesetzt wird, die scheinbar in keinem rationalen Verhältnis zur äußerst geringen Menge an benötigtem Spaltmaterial steht. Diese umgesetzten, in der Größenordnung der Bindungskräfte liegenden Energiemengen betragen mehrere 106 Elektronenvolt. Bekanntermaßen nutzen ausschließlich Atomkraftwerke die im Atomkern steckenden Bindungskräfte zur friedlichen Energiegewinnung (DOGIGLI, 1958; HARTMANN, 2004).

Innerhalb der Umwandlungskette von Primärenergie zu Nutzenergie kommt es zu Energieverlusten, die in Abhängigkeit zu den am Transformationsprozess beteiligten Größen (Energiegehalt der Primärenergie, technischer Entwicklungsstand der Verbrauchseinrichtung für Nutzenergie, Transformationstechnologie etc.) unterschiedliche Effizienzgrade aufweisen.  Zum Effizienzvergleich wird in den meisten Fällen der Wirkungsgrad (Griechisch: eta) herangezogen:

Wirkungsgrad = gewonnene Energie /  aufgewendete Energie

Da während der Umwandlung in Nutzenergie immer Verluste auftreten, ist der Wirkungsgrad stets kleiner als Eins. Der Wirkungsgrad wird in der Regel in Prozent angegeben (HAKIUS 2001). Das folgende anschauliche Beispiel aus HARTMANN (2004) soll dies anhand einer Glühlampe verdeutlichen: „Aus 100 % Kohle als Primärenergieträger wird im Kraftwerk mit einem Wirkungsgrad Eta=0,37 elektrische Energie erzeugt. Bei Transport und Verteilung der elektrischen Energie gehen ca. 10 % verloren, d.h. es ist Eta=0,9. Schließlich wird nun in der Leuchte nur ein Anteil von rund 10 % der eingespeisten elektrischen Energie in die Nutzenergie Licht umgewandelt, d.h. es gilt Eta=0,1. Der Rest wird als Wärme abgestrahlt. Für Etages resultiert damit ein Wert von 0,033, d.h. nur ca. 3,3 % der eingesetzten Primärenergie werden in Nutzenergie (hier Licht) umgewandelt.“

Energieträger werden definiert als Energierohstoffe in ihrer natürlichen Form und vor jeglicher Umwandlung, die eine gewisse Energiemenge pro Volumen- oder Masseneinheit beinhalten (HARTMANN (2004). Diese Energieträger werden auch als rohstoffgebundene Energiequellen bezeichnet. Hierzu zählen zum Beispiel alle fossilen Energieträger wie etwa Kohle, Erdöl oder Erdgas, jedoch auch Uran als Kernbrennstoff (HOLZBAUR et al., 1996). Des Weiteren müssen auch das Sonnenlicht sowie Erdwärme und Gravitation/Fliehkraft als Energieträger aufgeführt werden, die kontinuierlich eine gewisse Leistung je Fläche liefern und für die Erneuerbaren Energien von essentieller Bedeutung sind.

Primäre Energieträger liefern stets Energie ohne Energieeinsatz (HARTMANN; 2004).

Derzeit wird der weit überwiegende Teil des weltweiten Energiebedarfs durch den Einsatz und Verbrauch fossiler Energieträger gedeckt, deren entscheidende Vorteile eine hohe Energiedichte und ihr nahezu weltweites Vorkommen sind. Darüber hinaus sind sie speicherfähig und können im Dauerlastbetrieb kontinuierlich und bedarfsgerecht abgerufen werden. Problematisch sind jedoch die Endlichkeit der abbaubaren fossilen Vorkommen und die zusätzliche Anreicherung der Atmosphäre mit klimaschädigenden Spurengasen.