Was ist Energie | Energie und Umwelt | bpb.de

Energie ist lebenswichtig

Unser Leben ist ohne Energie nicht möglich. Die Menschen führen sich mit Nahrungsmitteln die Energie zu, die sie brauchen, um Tätigkeiten ausführen zu können. Auch zum Heizen oder Kühlen wird Energie benötigt, ebenso wie um Wege zurückzulegen, Räume zu erleuchten, zu telefonieren oder um sich im Datenverkehr zu bewegen. Derartige Aktivitäten und den damit verbundenen Energiebedarf gibt es in allen Wirtschaftssektoren, sei es Landwirtschaft, Industrie, Handel, Dienstleistungen, Verkehr, private Haushalte und öffentliche Einrichtungen.
Die industrielle Entwicklung, die in England während der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts begann, sich im 19. Jahrhundert auf andere Länder Europas und Nordamerikas ausdehnte und seit Mitte des 20. Jahrhunderts zunehmend auch Asien und Lateinamerika erfasste, wäre ohne Energie und ohne die Erschließung neuer Energiequellen undenkbar gewesen. In vorindustriellen Zeiten waren die Menschen im Wesentlichen auf Energiequellen angewiesen, die ihnen ihre natürliche Umgebung in ihrer ursprünglichen Form darbot: Wasser, Sonne, Wind, Holz und Kohle. Dadurch wurde auch das Spektrum ihrer wirtschaftlichen Tätigkeiten eingeschränkt. Eine moderne Wirtschaft und technischer Fortschritt konnten sich erst entwickeln, als "neue" Energieträger verfügbar waren. Dazu zählen nicht nur das Öl und die verschiedenen Ölprodukte, wie Benzin, Diesel oder Heizöl, sondern auch Erdgas und insbesondere die elektrische Energie.
Phänomene der Elektrizität waren schon in der Antike bekannt, und eine gezielte und praktische Anwendung gab es seit dem ausgehenden 16. Jahrhundert. Doch erst Mitte des 19. Jahrhunderts, nachdem die Gesetzmäßigkeiten der Elektrizität erforscht waren, setzte deren breite Nutzung ein. Beispiele sind die 1844 von Samuel F. B. Morse in Betrieb gesetzte Telegrafenleitung in den USA, die im gleichen Jahr von Louis Joseph Deleuil erstmalig installierte elektrische Beleuchtung eines öffentlichen Platzes, der Place de la Concorde in Paris, und der 1866 von Werner von Siemens entwickelte elektrische Generator. 1882 erfolgte auf der Strecke Miesbach-München die erste Fernübertragung von Gleichstrom über eine Distanz von 57 Kilometern. Vier Jahre später kam die heute gebräuchliche elektrische Energieübertragung mittels Wechselstrom hinzu. 1891 glückte schließlich die erste Fernübertragung mit dem heute in der Energietechnik üblichen Dreiphasenwechselstrom auf der Strecke von Lauffen nach Frankfurt über 176 Kilometer.

Physikalische Grundlagen

Vereinfachend lässt sich Energie als die Fähigkeit beschreiben, Arbeit zu verrichten. Dabei ist zwischen zwei Komponenten zu unterscheiden: zwischen der Anergie und der Exergie. Exergie bezeichnet den Anteil der Energie, der in Arbeit umgewandelt werden kann, während die Anergie der Teil der Energie ist, der (außer evtl. zum Heizen) keinen Nutzen hat und nicht in Arbeit umgewandelt werden kann. Beides sind Begriffe aus der Thermodynamik, der Wärmelehre, für die vor allem zwei Hauptsätze wichtig sind:

• Der erste Hauptsatz besagt im Wesentlichen, dass die gesamte Energie eines abgeschlossenen Systems bei allen ablaufenden Prozessen unverändert bleibt.

• Der zweite Hauptsatz schränkt die Möglichkeiten insbesondere bei der Umwandlung von Wärme in mechanische Energie weiter ein. Im Kern sagt er, dass gewisse Prozesse unumkehrbar sind: Wärme kann nur von einem wärmeren zu einem kälteren Körper fließen, nie umgekehrt. Mechanische Energie kann zwar vollständig in Wärmeenergie umgewandelt werden, aber der umgekehrte Prozess ist unmöglich.

Einige weitere Begriffe tragen zum besseren Verständnis dessen, was Energie ist, bei:

• Primärenergie: Primärenergieträger sind solche, die unmittelbar der Natur entnommen und noch keiner Umwandlung unterworfen worden sind. Dazu zählen beispielsweise das Rohöl, die Rohbraunkohle, Uran oder das Erdgas sowie die erneuerbaren Energien aus Wind, Wasser, Sonnenstrahlung, Erdwärme und Biomasse. Primärenergieträger sind oftmals nicht direkt, sondern erst nach weiteren Umwandlungsschritten für wirtschaftliche Aktivitäten nutzbar.

• Sekundärenergie: Sekundärenergieträger entstehen aus der Umwandlung von Primärenergieträgern. Dies sind alle Stein- und Braunkohlenprodukte sowie Mineralölprodukte, verschiedene erzeugte Gase (z. B. Gichtgas, Kokereigas), Strom und Fernwärme. Sekundärenergieträger können aber auch aus der Umwandlung anderer Sekundärenergieträger entstehen: So kann Strom beispielsweise auch aus Heizöl, Gichtgas oder anderen erzeugten Gasen produziert werden.

• Endenergie: Als Endenergie wird die Verwendung von Energieträgern in den unterschiedlichen Sektoren ("Letztverbraucher", z. B. Haushalte, Industrie, Gewerbe, Handel und Dienstleistungen) für deren eigenen Verbrauch bezeichnet, sofern sie unmittelbar zur Erzeugung von Nutzenergie (s. u.) eingesetzt werden. Endenergie ist die letzte Stufe nach dem Primärenergie- und dem Umwandlungsverbrauch sowie nach den Verlusten, die bei Transport und Verteilung entstehen. Endenergie kann als Primärenergieträger vorliegen (z. B. Erdgas) oder in eine sekundäre Energieform umgewandelt worden sein (z. B. Strom).

• Nutzenergie ist die Energie, die dem Endnutzer für seine Bedürfnisse in den unterschiedlichen Anwendungsbereichen (z. B. Beleuchtung, mechanische Energie, Wärme, Kälte, Licht) zur Verfügung steht. Die Umwandlung der Endenergie in Nutzenergie ist Voraussetzung dafür, dass der Endverbraucher die von ihm letztlich gewünschte Energiedienstleistung (z. B. gute Beleuchtung, angenehm temperierten Wohnraum) erhält.
  Wesentlich ist auch die Unterscheidung zwischen den einzelnen Energieträgern, also Quellen oder Stoffen, in denen Energie mechanisch, thermisch, chemisch oder physikalisch gespeichert ist.

• Mechanische Energie ist die Fähigkeit eines Körpers, aufgrund seiner Lage oder seiner Bewegung mechanische Arbeit zu verrichten, Wärme abzugeben oder Licht auszusenden. Mechanische Energie kennzeichnet den Zustand eines Körpers und wird deshalb auch als Zustandsgröße bezeichnet. Sie kann in andere Energieformen umgewandelt und von einem Körper auf andere Körper übertragen werden. Spezielle Formen mechanischer Energie sind die potenzielle Energie (Energie der Lage) und die kinetische Energie (Energie der Bewegung). Unter ersterer versteht man die Energie, die man aufbringen muss, um ein Objekt auf eine gewisse Höhe zu heben. Beispiel: Eine Kiste Mineralwasser wird um einen Meter nach oben gehoben, um sie auf den Tisch zu stellen. Die dafür aufgebrachte Arbeit entspricht der potenziellen Energie. Kinetische Energie ist die Bewegungsenergie, die ein Körper (z. B. ein Auto) aufgrund seiner Geschwindigkeit hat.

• Chemische Energie ist in chemischen Verbindungen gespeicherte Energie. Meist versteht man darunter den Wärmeinhalt oder Heizwert.

• Elektrische Energie ist die Energie, die mittels der Elektrizität übertragen oder in elektrischen Feldern gespeichert wird. Bei der Übertragung von Energie mit Hilfe der Elektrizität spricht man auch von elektrischer Arbeit. Elektrische Energie kann zum Beispiel in elektrischen und magnetischen Feldern gespeichert und in andere Energieformen umgewandelt werden.

• Strahlungsenergie ist die Energie der elektromagnetischen Strahlung, beispielsweise des Lichtes. Die Energie der Sonne ist nahezu immer und überall verfügbar, seit Jahrtausenden nutzen wir ihre Wärmestrahlung. Heute wird die solare Strahlungsenergie zunehmend mit Hilfe der Photovoltaik direkt in elektrische Energie umgewandelt. Strahlungsenergie wird auch dazu eingesetzt, um Wärme unterschiedlicher Temperaturen zu erzeugen. Biomasse, Wind und Wasserkraft nutzen die Sonnenenergie in indirekter Weise über Zwischenprodukte wie organisches Material, Luftbewegung oder kinetische und potenzielle Energie von Wasser. Strahlungsenergie kann auch passiv genutzt werden, etwa zur Erwärmung oder zur Beleuchtung von Gebäuden.

• Thermische Energie (auch Wärmeenergie) ist die Energie, die in der ungeordneten Bewegung der Atome oder Moleküle eines Stoffes gespeichert ist. Sie ist eine Zustandsgröße und ist Teil der inneren Energie.

• Bei der Kernenergie ist zu unterscheiden zwischen der Kernspaltung und der Kernfusion. Bei der Kernspaltung wird deren Energie in Kernkraftwerken zunächst in Wärmeenergie und mit dieser dann in Strom umgewandelt. Bei der Kernfusion werden die kernphysikalischen Prozesse in der Sonne nachgeahmt. Kerne von Wasserstoff-Atomen verschmelzen zu Kernen des Heliums. Nach der Einsteinschen Formel "Energie gleich Masse mal Quadrat der Lichtgeschwindigkeit" (e=mc²) werden so winzige Mengen an Materie (Elementarteilchen) in riesige Mengen an Energie umgewandelt. Als Kernbrennstoffe werden somit alle Stoffe bezeichnet, aus denen physikalisch gebundene Energie entweder durch Fission (Kernspaltung) oder durch Fusion (Kernverschmelzung) freigesetzt werden kann.

Gebräuchliche Maßeinheiten

Wesentlich für das Verständnis von Energiefragen ist die Kenntnis der wichtigsten Maßeinheiten. Bei der Stromversorgung unterscheidet man zwischen elektrischer Leistung und elektrischer Arbeit, wobei die elektrische Leistung in Watt und die elektrische Arbeit in Wattstunden oder jeweils einem Vielfachen davon gemessen wird.

Strom und seine Maßeinheiten

Der Stromverbraucher ist meist daran interessiert, wie viele Kilowattstunden (also wie viel elektrische Arbeit) er verbraucht hat. Gleichzeitig nimmt er aber auch eine elektrische Leistung in Anspruch, wenn er Haushaltsgeräte wie die Spülmaschine oder die Waschmaschine anschaltet. Damit fragt er eine bestimmte Leistung nach, die auf Wunsch zu einem beliebigen Zeitpunkt bereitstehen soll. Stellen die Kraftwerke diese dann nicht zur Verfügung, kann die gerade nachgefragte Leistung nicht gedeckt werden. Eine sichere Stromversorgung lässt sich daher nur gewährleisten, wenn jederzeit, das heißt rund um die Uhr, ausreichende Kraftwerkskapazitäten (Kraftwerksleistungen) zur Deckung dieser Leistungsnachfrage zur Verfügung stehen.
Aber was ist Strom eigentlich? Vereinfacht gesagt, ist er ein Teil der Elektrizität. Zu ihr gehört alles, was durch ruhende oder bewegte elektrische Ladung verursacht wird. Träger elektrischer Ladungen sind negativ geladene Elektronen oder positiv geladene Protonen. Folgende Maßeinheiten werden zur Beschreibung des Stroms verwendet:

• Ampere: misst die Stromstärke, also die pro Einheit fließende Ladung.

• Volt: ist die Maßeinheit für die elektrische Spannung, wobei zwischen den Netzebenen Nieder-, Mittel-, Hoch- und Höchstspannung unterschieden wird. Private Haushalte werden meist über das Niederspannungsnetz versorgt. Große Kraftwerke speisen meist in die Hoch- und Höchstspannung, aus denen teilweise auch große Stromverbraucher ihre elektrische Energie beziehen. Kleinere Industriebetriebe und andere gewerbliche Stromverbraucher versorgen sich vorwiegend über das Mittelspannungsnetz.

• Ohm: stellt ein Maß für den elektrischen Widerstand einer Stromleitung dar.

• Hertz: ist ein Maß für die Frequenz, also für die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde im Stromnetz (überwiegend 50,0 Hertz).

• Watt: Damit wird die elektrische Leistung bezeichnet, die sich als Produkt aus Spannung (Volt) und Stromstärke (Ampere) ergibt.

• Wattstunde: misst die elektrische Arbeit, das Produkt aus Leistung und Zeit; gebräuchlich ist der Ausdruck Kilowattstunde (kWh). In der Physik wird für die elektrische Energie die Einheit Wattsekunde (Ws) verwendet, dabei ist 1 Ws = 1 J (Joule).

Berechnung des Gesamtenergieverbrauchs

Neben den zahlreichen Maßeinheiten, die für Strom relevant sind, kommen bei gesamtenergiewirtschaftlichen Betrachtungen noch weitere Maßeinheiten ins Spiel. Der gesamte Energieverbrauch einer Region speist sich aus sehr unterschiedlichen Primär- und Sekundärenergieträgern. Die wichtigsten sind Stein- und Braunkohlen, Mineralölprodukte (wie Benzin, Diesel, Heizöl), Erdgas, Kernenergie, Strom und Fernwärme sowie die große Palette von erneuerbaren Energien (Biomasse, Wind, Wasser, Sonne, Geothermie). Sie sind in den Energiestatistiken oft nur in ihren jeweiligen spezifischen Einheiten (z. B. in Tonnen, Kubikmeter, Terajoule) ausgewiesen.
Um die Energieträger vergleichbar und additionsfähig zu machen und sie zur Ermittlung des Gesamtenergieverbrauchs einheitlich bewerten zu können, müssen sie auf einen einheitlichen Nenner gebracht werden. Das geschieht mit Hilfe von Umrechnungsfaktoren. Seit 1977 werden die in spezifischen Einheiten erfassten Mengen in "Joule" umgerechnet. Als noch die Nutzung von Kohle dominierte, war auch die Umrechnung in Steinkohleneinheiten (SKE) üblich. Die Umrechnung der Energieträger geschieht auf der Grundlage ihrer Heizwerte. Der Heizwert bezeichnet die bei einer Verbrennung maximal nutzbare Wärmemenge. Allerdings ist dieser Wert nicht bei allen Energieträgern unveränderlich. Die Qualität eines Energieträgers kann sich im Zeitablauf ändern, beispielsweise bei fossilen Energieträgern in Abhängigkeit von ihren Lagerstätten. So haben Steinkohlen verschiedener Herkunft, aber auch, wenn sie aus verschiedenen Schichten derselben Lagerstätte kommen, unterschiedliche Heizwerte. Je nach Zusammensetzung der Steinkohlenförderung in einer Lagerstätte oder einer Förderregion variiert dann auch der gewichtete Heizwert.

Ein besonderes Problem stellt sich, wenn mit stromerzeugenden Primärenergieträgern international gehandelt wird und die Produkte vergleichbar sein sollen. Gleiches gilt für die Bewertung von Wasser- und Windkraft, Photovoltaik und Kernenergie, die zur Stromerzeugung eingesetzt werden. Hier gibt es keinen einheitlichen Umrechnungsmaßstab wie den Heizwert. In diesen Fällen wird in Übereinstimmung mit internationalen Organisationen (IEA, EUROSTAT, ECE) auch in den Energiebilanzen für Deutschland das sogenannte Wirkungsgradprinzip angewendet. Dabei wird für die Kernenergie ein als repräsentativ erachteter Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung von 33 Prozent zugrunde gelegt. Der Wirkungsgrad misst die Effizienz von Energiewandlungen und Energieübertragungen. Er ist eine dimensionslose Größe und beschreibt das Verhältnis der Nutzleistung zur zugeführten Leistung. Bei der Stromerzeugung aus den erneuerbaren Energieträgern Wasserkraft, Wind und Solarstrahlung wird der jeweilige Energieeinsatz dem Heizwert der erzeugten elektrischen Energie gleichgesetzt. Der Heizwert für den Strom beträgt 3600 kJ/kWh, mit dem ebenfalls der Stromaustauschsaldo bewertet wird. Während Erdgas, setzt man es zur Stromerzeugung ein, mit seinem Heizwert (etwa 31 736 kJ/kWh) zwar unmittelbar bewertet wird, dann aber noch der Umwandlungswirkungsgrad von Steinkohle zu Strom zu berücksichtigen ist (etwa 43 %), setzt man bei der primärenergetischen Bewertung von Wind, Photovoltaik und ähnlichem einen Wirkungsgrad von 100 Prozent an. Diese Bewertungsmaßgabe hat zur Folge, dass ein Ersatz der Stromerzeugung aus Kernkraftwerken, die primärenergetisch mit 33 Prozent bewertet wird, durch erneuerbare Energien mit einem Wirkungsgrad von 100 Prozent rein statistisch gesehen zu einer relativen Verminderung des Primärenergieverbrauchs führt, ohne dass sich das Niveau der Stromerzeugung verändert hätte.