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2014 | Buch

Energie

Physikalische Grundlagen ihrer Erzeugung, Umwandlung und Nutzung

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Über dieses Buch

In dem vorliegenden Band wird naturwissenschaftlich-physikalische Hintergrundinformation zum Thema Energie bereitgestellt, um dem Leser objektive Bewertungskriterien für die global hochaktuelle Diskussion der Zukunft unserer Energieversorgung an die Hand zu geben. Insbesondere ist es ein zentrales Anliegen, dem Leser eine Bilanzierung aller Quellen hinsichtlich der Einflussnahme ihrer Gewinnung und Verwendung auf die Umwelt zu erstellen und das jeweilige Risiko zueinander in Relation zu setzen. Nach Festlegung des Begriffes Energie und ihrer Erscheinungsformen werden globale Randbedingungen des Umgangs mit Energie aufgezeigt. Diese Randbedingungen werden sodann für Deutschland als typischem Industrieland enger eingegrenzt. Die Palette infrage kommender Quellen, fossile, erneuerbare und nukleare, wird sodann im Detail vorgestellt. Ergiebigkeit der Ressourcen sowie sonstige Möglichkeiten und Grenzen des Einsatzes werden diskutiert; alle Energiequellen werden sodann nach Definition eines energetischen Erntefaktors miteinander verglichen. Die Speicher- und Transportmöglichkeiten und - hiermit eng verbunden - die Handlungsspielräume rationellen Umgangs mit den diversen Formen der Energie bilden einen weiteren Schwerpunkt. Der an naturwissenschaftlicher Hintergrundinformation interessierte Leser findet in einem gesonderten Kapitel eine detaillierte Präsentierung ausgewählter Techniken.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Grundsätzliches zu Energie und Energieverbrauch
Zusammenfassung
Energie (vom griechischen en-ergon = innere Arbeit) ist eine fundamentale physikalische Grundgröße. Seit Albert Einsteins berühmter Erkenntnis der Äquivalenz von Masse und Energie E = mc 2 kann man Energie als Urform des Seins in unserem Universum bezeichnen: Alle Materie, alle Bausteine des Universums sind nach heutiger Erkenntnis aus Energie entstanden. Wir tun uns schwer, den Begriff „Energie“ präzise zu definieren: Wir kennen die verschiedenen Formen der Energie und können Sie nutzbar machen. Energie ist letztlich alles, was sich in Arbeit umwandeln lässt, wobei Umwandlung und Nutzung strengen Regeln der Physik unterliegen: Unterschiedliche Energieformen können ineinander umgewandelt werden, Energie kann aber weder erzeugt noch vernichtet werden.
Bernd Diekmann, Eberhard Rosenthal
2. Fossile Energieträger
Zusammenfassung
Allen fossilen Energieträgern ist gemein, dass sie aus abgestorbenen Bestandteilen von Pflanzen und Tieren entstanden sind. Bei ihrer energetischen Umwandlung (Verbrennung) wird hauptsächlich CO2 freigesetzt, welches lange zuvor beim Wachstum der Ausgangsbestandteile gespeichert wurde. In Deutschland wurden im Jahr 2011 insgesamt 13.374 PJ Primärenergie benötigt. Zur Bereitstellung dieser Energie tragen insbesondere die fossilen Energieträger bei. Zu den wichtigsten fossilen Energieträgern zählt Mineralöl mit einem Beitrag von 4.549 PJ im Jahr 2011, gefolgt von Erdgas (2.733PJ), Steinkohle (1.685PJ) und Braunkohle (1.562PJ). Der Anteil aller fossilen Energieträger, an der in Deutschland eingesetzten Primärenergie, beträgt zur Zeit etwa 79%. Im Vergleich dazu tragen die erneuerbaren Energien (1.452PJ), die Kernenergie (1.178PJ) und sonstige Energieträger (214 PJ) zusammen nur zu etwa einem fünftel zur benötigten Primärenergie bei.
Bernd Diekmann, Eberhard Rosenthal
3. Erneuerbare Energien
Zusammenfassung
Die Kernfusion innerhalb der Sonne ist der zentrale, für uns auf der Erde lebenswichtige Energieumwandlungsprozess. Die von der Sonne ausgesandte elektromagnetische Strahlung ist unter anderem für Wind, Regen, Wellen und für das Pflanzenwachstum verantwortlich. Sie ist der Ursprung nahezu aller „erneuerbaren Energien“, und auch fossile Kraftwerke nutzen die gespeicherte Strahlungsenergie der Sonne. Denn erst die Strahlungsenergie der Sonne ermöglicht organisches Leben auf dem Planeten Erde und bildet damit die Grundlage für fossile Energieträger wie Kohle, Erdöl und Erdgas.
Bernd Diekmann, Eberhard Rosenthal
4. Energiespeicher
Zusammenfassung
Wird Energie nicht direkt, sondern zu einem späteren Zeitpunkt benötigt, muss sie gespeichert werden. Eine Solaranlage zur Brauchwassererwärmung kann beispielsweise in den Mittagsstunden die größte Wassermenge bereitstellen, die jedoch erst in den Abend- bzw. Morgenstunden benötigt wird. Kleine Wärmespeicher puffern die Wärme über Stunden und Tage zwischen, während große Wärmespeicher die im Sommer erwirtschaftete Wärme in den Wintermonaten bereitstellen können. Das Angebot an Wind und solarer Strahlungsenergie richtet sich insbesondere nicht nach der Nachfrage elektrischer Energie. Wind- und Photovoltaikkraftwerke können deswegen nicht nachfrage- sondern ausschließlich angebotsorientiert Energie umwandeln. Um Angebot und Nachfrage in Einklang zu bringen, werden elektrische Speicher mit großen Speicherkapazitäten benötigt.
Bernd Diekmann, Eberhard Rosenthal
5. Energie aus der Kernspaltung
Zusammenfassung
Beim Streifzug durch die verschiedenen Quellen der Energiebereitstellung begann für den Mensch im 20. Jahrhundert ein neuer historischer Abschnitt: die Energiegewinnung aus der Kernspaltung.
Von den vier der Physik heute bekannten Formen der Wechselwirkung zwischen Partikeln waren zuvor nur die elektromagnetische Wechselwirkung (z.B. chemische Bindungsenergien) und die Gravitationswechselwirkung (z.B. bei Gezeitenenergie) an der Energieerzeugung beteiligt. In den nächsten beiden Kapiteln bestimmen zwei 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.
Bernd Diekmann, Eberhard Rosenthal
6. Energie aus der Kernfusion
Zusammenfassung
Bei der Verschmelzung von zwei leichten Kernen zu einem mittelschweren Kern wird Energie freigesetzt. Verschmilzt man 4 Wasserstoffatome letztlich zu Helium, so werden pro kg He 172 x 106 kWh an Energie frei. Gegenüber der Spaltung von reinem 235U wäre dies sechsmal mehr. Verglichen mit einem Liter Heizöl ergibt sich ein Faktor von 12 Millionen. Dieser Ertrag mindert sich zwar um ca. 30 %, weil über inverse β-Zerfälle 2 der 4 Wasserstoffprotonen in Neutronen umgewandelt werden müssen: pgebunden → n + e+ + ve – 1,8 MeV.
Dennoch stellt die Kernfusion gegenüber allen anderen, heute vorstellbaren Energiequellen, die kompakteste und somit ergiebigste dar. Folgerichtig sind intensive Bestrebungen im Gange, es der Sonne gleich zu tun. Auch (energie-)ökonomisch würde die Kernfusion für einen Staat Autonomie und Preissicherheit, anders als bei fossilen Energieträgern, bedeuten. Dies liegt u.a. auch an der annähernden globalen Gleichverteilung der „Fusionsrohstoffe“ Deuterium und Lithium.
Bernd Diekmann, Eberhard Rosenthal
7. Elektrische Energieversorgung
Zusammenfassung
Energie in Form von elektrischer Energie ist ausgezeichnet steuer-, mess- und regelbar und lässt sich vielfältig in andere Energieformen umwandeln. Der Transport von 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.
Bernd Diekmann, Eberhard Rosenthal
8. Verkehr und Transport
Zusammenfassung
Im Verkehrssektor wird in Deutschland eine Energie von rund 2.557 PJ pro Jahr benötigt. Dies entspricht einem Anteil von 28,2% der in Deutschland genutzten Endenergie. Zur Bereitstellung von mechanischer (Antriebs-)Energie werden fast ausschließlich Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt. Als Hauptenergieträger werden überwiegend aus (Erd-)Öl bereitgestellte Kraftstoffe verwendet. Dies gilt nicht nur für PKW, sondern auch für LKW, Schiffe und Flugzeuge, weshalb den Verbrennungskraftmaschinen ein ausführliches Kapitel gewidmet ist, wobei der Schwerpunkt auf den physikalisch relevanten Kreisprozessen liegt. Das folgende Kapitel ist unterteilt nach den unterschiedlichen Motor- bzw. Turbinen-Konzepten. Zukünftig soll die Elektromobilität, also der elektrische Antrieb von Fahrzeugen, an Bedeutung gewinnen. Kapitel 8.2 gibt einen Überblick über die wichtigsten Entwicklungen auf diesem Gebiet.
Jährlich werden in Deutschland rund 1.127,8 Milliarden Personenkilometer zurückgelegt. Im Güterverkehr sind es 621,5 Milliarden Tonnenkilometer. Um eine effiziente Art der Beförderung von Personen oder Gütern zu finden, spielt nicht nur das Transportmittel, sondern auch dessen Auslastung eine entscheidende Rolle. Einen Einblick gibt der Vergleich zwischen den verschiedenen Transportmitteln für Personen und Güter in Kaptiel 8.3.
Bernd Diekmann, Eberhard Rosenthal
9. Gebäude
Zusammenfassung
Etwa ein Drittel der in Deutschland pro Jahr genutzten Energie wird in dem Sektor der privaten Haushalte benötigt. Die Energie wird vor allem zur Erzeugung von Raumwärme und warmen Wasser benötigt. Elektrische Energie wird vor allem zur Beleuchtung, zum Kochen und für den Betrieb von elektrischen Geräten verwendet. In Anbetracht des Umstands, dass ein großer Teil des Gebäudebestands in Deutschland älter als 50 Jahre ist, ergeben sich durch eine energetische Modernisierung nennenswerte Einsparpotentiale. Schätzungsweise könnte der Energieeinsatz im Gebäudesektor um rund 125 TWh gesenkt werden, bei einer Gesamtinvestitionssumme von etwa 20 Milliarden Euro. Es gilt, den Energiebedarf zu reduzieren, ohne den Wohlkomfort zu minimieren.
Bernd Diekmann, Eberhard Rosenthal
10. Umweltbelastungen und Risiken der Energieerzeugung
Zusammenfassung
Wie oft eine regenerative Anlage in ihrer Lebenszeit den kumulierten Energieaufwand wieder einspielt bzw. an anderer Stelle wieder einspart, wird über den Erntefaktor angegeben. Der kumulierte Energieaufwand gibt wiederum an, wieviel Primärenergie für Bau, Betrieb, Wartung und Entsorgung einer Anlage anfällt.
Erntefaktor = Energieerzeugung im Verlaufe der Lebensdauer einer Anlage /
(Primär-)Energieaufwand für Bau, Betrieb, Wartung und Entsorgung
Eine Anlage muss momentan oder zukünftig in der Lage sein, einen Erntefaktor > 1 zu erzielen. Kann dies nicht gewährleistet werden, so sollte diese Nutzungsform eingestellt werden. Erntefaktoren verschiedener Energieerzeugungstypen sind in Tab. 10.1 aufgelistet. Bei der Windenergie ist zu beachten, dass dieser Erntefaktor nur für eine Aufstellung an den Küstenregionen Schleswig-Holsteins gilt, da die dortige Windgeschwindigkeit auf dem deutschen Festland mit ca. 7–8m/s am höchsten ist.
Bernd Diekmann, Eberhard Rosenthal
11. Grundlagen
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden die physikalischen Grundlagen der in diesem Buch beschriebenen Techniken eingehend behandelt. Zum Verständnis des vorherigen Kapitels ist die hier vorgestellte Physik nicht zwingend erforderlich, sie ermöglicht aber einen deutlich tieferen Einblick in die Materie.
Bernd Diekmann, Eberhard Rosenthal
12. Vergleich der Schadensrisiken aller Quellen
Zusammenfassung
Die zentrale Botschaft dieses abschließenden Kapitels ist weniger die Evaluierung präziser Zahlen, Risikoberechnungen selbst sind risikobehaftet, sondern die Aussage, dass jede Nutzung von Energie ihren Tribut fordert. Skaliert man Photovoltaik- oder Windkraftanlagen auf die Energieproduktion eines Großkraftwerks, stellen sich die Umweltaspekte anders dar. Ein Großkraftwerk mit einer Leistung von 1 GW und 7.000 Stunden Laufzeit im Jahr muss von fast 2.500 Windrädern mit 1,5 MW und 2.000 Stunden kompensiert werden. Zur Bewertung sollte jedoch nicht nur die Energie, sondern auch die Leistungsbereitstellung herangezogen werden. Im Falle der Windkraft also die Ersatzbereitstellung (backup) bei Flaute und die Notwendigkeit einer effizienten und flexiblen Verteilung der dezentral bereitgestellten Energie.
Bernd Diekmann, Eberhard Rosenthal
13. Schlussbetrachtungen
Zusammenfassung
„Das Wasser ist die Kohle der Zukunft. Die Energie von morgen ist Wasser, das durch elektrischen Strom zerlegt worden ist. Die so zerlegten Elemente des Wassers, Wasserstoff und Sauerstoff, werden auf unabsehbare Zeit hinaus die Energieversorgung der Erde sichern.“
Leider unterlief Jules Verne mit diesem viel zitierten Satz aus dem Buch „Die geheimnisvolle Insel“ (1870) ein Fehler, der häufig in den aktuellen Debatten begangen wird. Er beleuchtet einen Teilaspekt, in diesen Fall die Speicherung von elektrischer Energie, ohne näher auf den Ursprung der Energie einzugehen. Die Problematik einer (nachhaltigen) Energieversorgung ist vielschichtiger und komplexer als es zunächst scheint. Das vorliegende Buch hat sich zur Aufgabe gesetzt, naturwissenschaftlich vorgebildeten Lesern einen Zugang zu diesem Themenbereich „sine ira et studio“ zu ermöglichen.
Bernd Diekmann, Eberhard Rosenthal
14. Anhang
Zusammenfassung
- Nebenrechnung zur Berechnung des maximalen Wirkungsgrades einer Windkraftanlage
- Nebenrechnung zur Bestimmung des Shockley-Queisser-Limits
- Nebenrechnung zur Bestimmung der Effektivwerte von sinusförmigen Wechselstromgrößen
- Nebenrechnung zur Bestimmung der elektrischen Leistung in einem Drehstromnetz
- Bestimmung der Spannung zwischen zwei der drei Drehstromleitungen
- Verschiedene Energiepflanzen, ihre Nutzungspfade und Ergiebigkeit
- Energie aus der Kernspaltung
- Energie aus der Kernfusion
- Einheiten und Symbole
Bernd Diekmann, Eberhard Rosenthal
Backmatter
Metadaten
Titel
Energie
verfasst von
Bernd Diekmann
Eberhard Rosenthal
Copyright-Jahr
2014
Electronic ISBN
978-3-658-00501-6
Print ISBN
978-3-658-00500-9
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-00501-6