1. Definition Energie

Wenn man an einem Körper Arbeit verrichtet, vergrößert man seinen Energiegehalt. Energie ist also „gespeicherte Arbeit“, die wieder abgegeben werden kann. Energie kann in einem abgeschlossenen System weder erzeugt noch vernichtet werden. Energie kann nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden.

Gemessen wird Energie in der Einheit Joule (J) als Produkt von Zeit und Leistung. Ein Joule entspricht einer Wattsekunde (Ws).

2. Einteilung nach Einsatz

Nach der Reihenfolge ihres Einsatzes lässt sich die Energie in 4 Stufen einteilen:

Primärenergieträger kommen in der Natur direkt vor, wie Stein- und Braun-kohle, Erdöl oder Erdgas, sowie erneuerbare Energiequellen. Sie sind keiner Umwandlung unterworfen. In den meisten Fällen muss Primärenenergie

Werbung

in Kraftwerken, Raffinerien etc. in

Sekundärenergieträger umgewandelt werden. Sekundärenergie ist Energie, die als Ergebnis eines Umwandlungsprozesses und unter Energieverlust aus Primärenergie gewonnen wird (z.B. Koks, Bri-ketts, Strom, Fernwärme, Heizöl oder Benzin).

Die Energie am Ort des Verbrauchers ist

Endenergie, die in

Nutzenergie umgewandelt wird. (Heiz- und Prozesswärme, Licht sowie me-chanische Energie)

Erneuerbare Energien - auch regenerative oder alternative Energien ge-nannt - sind Energieträger/-quellen, die sich ständig erneuern bzw. nachwach-sen und somit nach menschlichem Ermessen unerschöpflich sind. Hierzu zäh-len: Sonnenenergie (mit den indirekten Formen Biomasse, Wasserkraft, Wind-energie, Umgebungswärme etc.) sowie Erdwärme (Geothermie) und Gezei-tenenergie.

3. Energiequellen

3.1 Sonnenenergie

Sonnenenergie: Strahlungsenergie aus den Strahlen der Sonne steht uns auf der Erde in direkter (Solarzelle) und indirekter (Wind- und Wasserkraft) Form zur Erzeu-gung elektrischer Energie zur Verfügung. In einer halben Stunde strahlt die Sonne soviel Energie auf die Erde wie innerhalb eines Jahres auf der gesamten Erde ver-braucht wird. Sonnenenergie ist eine saubere Energieform. Sie verursacht keine Schadstoffemis-sionen, Lärm oder Staubaufwirbelung infolge Abfallwärmeproduktion die für alle an-deren Energieerzeugungen charakteristisch ist. Jegliche CO2-Produktion wird ver-mieden, die für die Erwärmung der Atmosphäre und die dadurch drohende Klimaver-änderung verantwortlich ist. Außerdem erfordert sie einen wesentlich geringeren Wartungsaufwand.

Solarzelle: bestehen meist aus Silizium. Durch die Solarzelle kommt es zu einer direkten Nutzung der Sonnenenergie. Die Solarzelle ist in der Lage, die Sonnenenergie direkt in elektrische Energie umzu-wandeln à photovoltaischer Effekt. Das bedeutet: wenn Sonne scheint, fließt Strom. Wenn Sonne nicht mehr scheint, findet Elektronenwanderung statt. Die Elektronenwanderung findet so statt, dass in einem Atom ein Loch entsteht. In dieses fliegt dann spontan ein neues e-. Dieses e- hinterlässt ein neues Loch, das gefüllt wird usw. ... Das bewirkt an der Zelle eine elektrische Spannung. Der Gleich-strom fließt durch ein angeschlossenes Gerät. Die Photovoltaik ist dem Verbraucher durch Solartaschenrechner oder Solaruhren bereits bekannt und kann auch für die Stromversorgung privater Haushalte eingesetzt werden

3.2 Wind

Wind: Unterschiedlich warme Luftmassen stoßen aufeinander. Es entsteht eine Strömung, die wir als Wind erleben und über Windturbinen nutzen können. Die Be-wegungsenergie des Windes wird zunächst in rotierende Energie und dann mit ei-nem Generator in elektrische Energie umgewandelt

Windmühlen gehören zu den ältesten Maschinen der Menschheit; schon vor über5000 Jahren dienten sie dazu, Korn zu mahlen und wasser zu pumpen. Heutewird die Windmühle (oder Windturbine) in einer verfeinerten Formwiederbelebt. Im Gegensatz zu den vielen Flügeln traditioneller Windmühlenhaben moderne Windturbinen nur zwei oder drei aerodynamisch geformteBlätter. Elektronische Kontrollsysteme erlauben es ihnen, starke Winde miteinem sehr hohen Wirkungsgrad auszunutzen.

3.3 Wasser

Wasser: Wasserkraft hält den natürlichen Wasserkreislauf auf der Erde durch Ver-dunstung und Niederschlag in Gang. Wasserkraftwerke nutzen die Energie des Hö-henunterschiedes der Wasserkraft des Flusses oder eines Stausees zur Umwand-lung in die Bewegungsenergie des Wassers. Im nächsten Schritt erfolgt über eine Wasserturbine die Umwandlung in Energie der Drehbewegung, die schließlich mit Hilfe eines Generators in Energie umgewandelt wird à Strom entsteht

Durch Wasserkraft erzeugter Strom ist aus Sonnenenergie gewonnen: Die Sonne lässt Oberflächenwasser verdampfen, das als Regen und Schnee wieder zur Erde herabfällt und Flüsse und Bäche speist.

Natürliche und künstliche Geysire

Thermalquellen und Geysire entstehen, wo Magma in die Nähe der Erdoberfläche gelangt. An solchen Stellen ist es möglich, die Wärme des Erdinneren, die „geother-mische“ Energie , auszunutzen. Schächte werden zu dem heißen, unter Druck ste-henden Dampf gebohrt, der dann Turbinen antreibt. Islands Hauptstadt Reykjavik etwa wird fast nur durch Erdwärme mit Energie versorgt.

3.4 Fossile Brennstoffe

Fossile Brennstoffe sind tote Biomasse, die vor Jahrmillionen abgestorben sind und durch geologische Prozesse umgewandelt wurden: in Kohle, Erdöl und Erdgas sowie verschiedene Mischprodukte wie Ölsande oder Ölschiefer.Je nach der Zusammensetzung der toten Biomasse und den physikalisch-chemischen Bedingungen, insbesondere Druck und hohe Temperaturen, entstehen im Laufe vieler Jahrmillionen Kohle, Erdöl, Erdgas sowie Ölsande, Ölschiefer; erstere können bei hoher Qualität praktisch direkt über die Verbrennung in nutzbare Wärme-energie überführt werden. Letztere müssten zunächst von mineralischen Stoffen ge-trennt werden, um sie zu nutzen. Dies entspricht einem zusätzlichen Energieaufwand für die Bereitstellung der Energieträger als Endenergie. Mit der Einführung des Automobils als Massenartikel richtete sich das Interesse zu Anfang diese Jahrhunderts auf Erdöl als Vorstufe für die Treibstoffe Diesel, Kerosin und Benzin. An der Schwelle zum 21. Jahrhundert richten sich die Interessen verstärkt auf den dritten fossilen Brennstoff, das Erdgas: Dieses zeichnet sich dadurch aus, dass es sich ohne großen Aufwand - eventuell nach einer Aufbereitung - sauber verbrennen lässt, zumindest im Vergleich zu Kohle, Erdöl und Erdölprodukten. Weiterhin ist die Menge des treibhausrelevanten Gases Kohlendioxid, die pro Energieeinheit bei der Nutzung von Erdgas freigesetzt wird, deutlich geringer als bei den anderen Brenn-stoffen.

3.5 Atomkern als Energiequelle

Kernkraftwerke nutzen durch Wärmeenergie unter Druck gesetztes Gas, um Turbi-nen anzutreiben, die wiederum mit Stromgeneratoren verbunden sind. In Kernkraft-werken entsteht die Wärme durch die Spaltung instabiler Schwermetall-Isotope, übli-cherweise Uran-235.Erstmals erzeugte 1951 ein Kernreaktor Strom: Der Testreaktor lieferte dieEnergie für vier Glühbirnen. Die Kernenergie versprach, Strom sehr preiswertzu machen, und schien ein neues Zeitalter des Wohlstandes zu eröffnen.Kernreaktoren sind leistungsstark und vergleichsweise "sauber". ABER:Hochaktiver Müll

3.6 Erneuerbare Energieträger

Biogas: entsteht bei bakteriellem Abbau von organischem Material (z.B. Pflanzen(-reste) sowie tierische Exkremente und Abfälle v. a. aus der Landwirtschaft) unter Licht- und Luftabschluss in Faulbehältern. Es enthält im wesentlichen Methan. Neben brennbarem Gas, das zur Energieerzeugung eingesetzt werden kann, entsteht hochwertiger Dünger.

Biomasse: ist die gesamte, durch Pflanzen oder Tiere anfallende/erzeugte organi-sche Substanz. Beim Einsatz von Biomasse zu energetischen Zwecken – also zur Strom-, Wärme- und Treibstofferzeugung – ist zwischen nachwachsenden Rohstof-fen oder Energiepflanzen und organischem Abfall zu unterscheiden.

Nachwachsende Rohstoffe sind:

- schnell wachsende Baumarten und spezielle einjährige Energiepflanzen mit ho-hem Trockenmasse-Ertrag zum Einsatz als Brennstoff

- Zucker- und Stärkehaltige Ackerfrüchte für die Umwandlung in Äthanol sowie Öl-früchte für die Gewinnung von Bioölen bzw. Biodiesel und deren Einsatz als Schmierstoff bzw. Treibstoff

Organische Reststoffe fallen bei Land- und Forstwirtschaft, Industrie und in Haushal-ten an. Dazu zählen- Abfall- und Restholz- Stroh, Gras, Laub, Dung- Klärschlamm- Organischer Hausmüll

Organische Rest- und Abfallstoffe bilden Grundmaterial für Erzeugung von Biogas

4. Physikalische Einteilung

Physikalisch unterscheidet man unterschiedliche Arten und Formen von Energie:

- mechanische Energie (Bewegungs- oder Kinetische Energie, potentielle Energie)- Wärmeenergie (thermische Energie)- Chemische Energie- Elektrische Energie- Strahlungsenergie- Kernenergie

Kinetische Energie: ist Bewegungsenergie, die in einem sich bewegenden Körper gespeichert ist

Potentielle Energie: ist Energie, die in einem Körper gespeichert ist, wenn er sich in einer bestimmten Höhe befindet. Die potentielle Energie nimmt mit der Höhe zu.

Wärmeenergie: ist Energie, die in einem Körper gespeichert ist. Atome bzw. Molekü-le bewegen sich ungeordnet mit der der Temperatur des Körpers oder Gases ent-sprechenden Energie. Wärmeenergie ist somit eine spezielle Form der Bewegungs-energie und somit kinetische Energie

Strahlungsenergie: ist Energie, die durch elektromagnetische Wellen transportiert wird

Chemische Energie: ist Energie, die in chemischen Bindungen gespeichert ist und in Form von Arbeit aufgebracht werden muss um Bindungen zu trennen (endotherm) bzw. die frei wird, wenn sich die Bindung trennt (exotherm)

Kernenergie: Quelle der Kernenergie ist die innere Bindungsenergie der Atomkerne. Die Kernbausteine sind von einer Atomsorte zur anderen verschieden stark aneinan-der gebunden. Das Maximum der Bindungsenergie je Kernbaustein liegt im Bereich der Massezahl 60. Durch Kernumwandlungen kann man deshalb Energie entweder durch Spaltung (Fission) schwerer Kerne wie Uran oder durch Verschmelzung (Fusi-on) leichter Kerne wie Wasserstoff gewinnen. Bei der Fusion von Deuterium und Tri-tium (DT-Reaktion) zu 1 kg Helium wird eine Energie von rund 120 Mio. kWh frei, die Spaltung von 1 kg U235 liefert rund 23 Mio. kWh gegenüber etwa 10 kWh bei der Verbrennung von 1 kg Steinkohle

5. Perpetuum mobile

Schon früher haben die Menschen nach billigen und immer verfügbarenAntriebsquellen für ihre Maschinen gesucht. Ehe die Dampfmaschine erfunden war, wurden die Maschinen von Menschen, Tie-ren, vom Wind oder fließendem Wasser angetrieben. So entstand schnell der Wunsch nach einer Maschine, die einmal in Gang gesetzt, immer in Bewegung blieb. Begnügten sich einige Erfinder damit eine Maschine zu bauen, die einmal in Gang gesetzt immer in Bewegung bleibt (Perpetuum mobile 1. Art) so hatten andere den Wunsch, dass die Bewegung erhalten und gleichzeitig noch Arbeit verrichtet werden soll (Perpetuum Mobile 2. Art)

Die franz. Akademie der Wissenschaften beschloss im Jahre 1755 keine Baupläne eines PM mehr entgegen zu nehmen. Damit wurde ein Schlussstrich unter die jahr-hundertlange erfolglose Suche nach einem "Immerbeweger" abgeschlossen, ohne zu wissen, warum es eine solche Maschine niemals geben wird.Erst im Jahre 1842 wurde durch Julius Robert Mayer erklärt, dass mechanische Ar-beit und Wärme vollständig ineinander umwandelbar sind. Diesen Gedanken belä-chelten viele Physiker, so dass die Anerkennung Mayers Forschungsergebnisse erst nach 20 Jahren kam.

Selbst nach der Erkenntnis des Energieerhaltungssatzes hörten die Menschen nicht auf, sich über "Immerbeweger" Gedanken zu machen. Besonders nach der Entde-ckung einer neuen Energiequelle gab es immer wieder Hoffnung, doch noch eine solche Maschine zu finden. So dachte Alessandro Volta, dass die von ihm erfundene Spannungsquelle (Batterie) ein PM sei. Da es noch keine elektrischen Geräte gab, die an die Batterie angeschlossen werden konnten, hielt die Batterie die Spannung sehr (!!!) lange, so dass der PM-Gedanke nahe lag. Volta selbst erkannte später, dass es zu chemischen Veränderungen kam, die sein Element allmählich unbrauch-bar machten, so dass die Ewigkeit mal wieder nicht ewig währte.

Die Entdeckung der Radioaktivität (1896) brachte den Gedanken erneut auf. Die Strahlung schien unerschöpflich. Die Erkenntnis der Halbwertzeit (Radium etwa 1600 Jahre) zeigte aber, dass diese "Unerschöpflichkeit" zeitlich begrenzt ist.