Energie – Grundlagen für Ingenieure und Naturwissenschaftler

Energie (vom griechischen en-ergon = innere Arbeit) ist eine fundamentale physikalische Größe, die begrifflich schwer zu fassen ist. Dies ist zum Einen darauf zurückzuführen, dass der Begriff „Energie“ in unserer Umgangssprache weit verbreitet und in den verschiedensten Zusammenhängen verwendet wird. Allerdings geschieht dies häufig nicht konform mit dem physikalischen Energiebegriff. Zum Anderen ist der Energiebegriff in allen Teilgebieten der Physik grundlegend und somit allgemein nur sehr abstrakt fassbar. Für den Kontext dieses Buches lässt sich Energie aus physikalischer Perspektive am einfachsten definieren als die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten.

Fossile Energieträger sind in allen drei Aggregatszuständen vorrätig: in fester Form als Kohle, in flüssiger Form als Erdöl und als Erdgas. Die fossilen Energieträger sind der in Deutschland meist genutzte Primärenergieträger. Ihre energetische Nutzung wird zunehmend als problematisch angesehen, weil bei der energetischen Umwandlung (Verbrennung) hauptsächlich \( {\text{CO}}_{2} \) freigesetzt wird, das lange zuvor – beim Wachstum der Ausgangsbestandteile – der Atmosphäre entzogen und gespeichert wurde.

Der Großteil der sog. erneuerbaren Energien benötigt die Sonne – direkt oder indirekt – als externe Energiequelle, deren Energieeintrag auf verschiedene Art und Weise umgewandelt und nutzbar gemacht wird.

In diesen Kapiteln bestimmen zwei – neben Gravitation und Elektromagnetismus – weitere Formen der Wechselwirkung das Geschehen: Die starke Wechselwirkung zwischen den Bausteinen der Atomkerne, Protonen und Neutronen sowie die schwache Wechselwirkung als Ursache der endlichen Lebensdauer eines Teils der Bausteine und somit letztlich als Ursache deren radioaktiven Zerfalls. Beide sind erst im letzten Jahrhundert theoretisch erkannt und experimentell nachgewiesen worden.

Bei der Verschmelzung zwei leichter Kernen zu einem mittelschweren Kern wird Energie freigesetzt (siehe den linken Teil der schematischen Darstellung der Weizsäckerformel in Abb. 4.1).

Werden elektrische Energie oder Wärmeenergie nicht direkt während eines Umwandlungsprozesses sondern zu einem späteren Zeitpunkt benötigt, müssen sie gespeichert werden. Neben der Kapazität eines Speichers, also der Menge an Energie die gespeichert werden kann, ist die Energiedichte eine wichtige Kenngröße. Die volumetrische Energiedichte ist ein Maß für die gespeicherte Energie pro Raumvolumen, während sich die gravimetrische Energiedichte auf die gespeicherte Energie pro Masse des Speichers bezieht.

Elektrischer Energie ist ausgezeichnet steuer-, mess- und regelbar und lässt sich vielfältig in andere Energieformen umwandeln. Der Transport elektrischer Energie über weite Strecken ist mit modernen Netzen nur mit geringen Verlusten verbunden. Nicht zuletzt deshalb ist die elektrische Energie anderen Formen der Primär- und Sekundärenergien überlegen.

Jegliche Form der Umwandlung und Nutzbarmachung von Energie im industriellen Maßstab stellt einen massiven Eingriff in die Natur dar und hat unterschiedlichste Umweltbelastungen und Risiken zur Folge. Der Einsatz fossiler Energieträger wirkt sich auf das globale Klima aus, der Einsatz von Kernenergie birgt das Risiko eines Betriebsunfalls mit weitreichenden und schwerwiegenden Folgen und der Ausbau regenerativer Energien ist nicht ohne Konsequenzen für die Natur. In diesem Kapitel sollen die unterschiedlichen Umweltbelastungen und Risiken im Einzelnen betrachtet werden.