Energieversorgung - Damit uns nicht der Saft ausgeht

Mit Energieversorgung ist das Zukommen von Nutzenergie und ihre Weiterleitung an Verbraucher gemeint. Ein hoher Anteil dieser Energie wird momentan noch aus Anlagen mit fossilen Energieträgern entnommen, jedoch wird die Nutzbarmachung regenerativer Energien immer mehr ausgeweitet. Doch was genau ist “Energie” eigentlich und wie wird sie für den Menschen nutzbar gemacht?

Was ist Energie?

Wir benutzen den Begriff “Energie” im Alltag recht inflationär und bezeichnen damit zum Beispiel aufgenommene Kalorien (Kcal) in Lebensmitteln oder beschreiben einen persönlichen Zustand, wenn wir ganz und gar nicht müde, sondern sehr motiviert sind. Außerdem ist Energie auch das, was in Strom und Wärme umgewandelt wird. Um herauszufinden, warum “Energie” eine so vielfältige Wortbedeutung hat, sehen wir uns kurz den Ursprung des Begriffs an:

• Das Wort “Energie” wird vom griechischen “Enérgeia” (“Wirksamkeit”) abgeleitet. Der Begriff wurde erstmals von Aristoteles als die “Wirkkraft, durch die Mögliches in Seiendes übergeht” eingeordnet. Also eine allgegenwärtige Kraft.
• Thomas Young schlug den Begriff 1800 erstmals als einen physikalischen Begriff vor. Mitte der 1840er Jahre wurde zum ersten mal definiert, was wir heute als den “Energieerhaltungssatz” aus der Schule kennen: “Energie kann nicht erzeugt oder vernichtet, sondern nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden”.
• Anfang der 1850er Jahre führten schließlich William Thomson und William Rankine den Begriff “Energie” offiziell als Verallgemeinerung aller bisherigen Vorschläge für solche entdeckten Kräfte ein.
• Im Jahr 1905 veröffentlichte Albert Einstein seine spezielle Relativitätstheorie, die sich mit der Gravitationskraft und dem Verhältnis von Raum und Zeit befasst. Der bekannte Satz, der die Äquivalenz von Energie und Masse ausdrückt, lautet E=m·c2. Spätestens seit diesem Zeitpunkt ist der Begriff in der Naturwissenschaft gültig und zuordbar. Energie (E) wird in der Einheit Joule (J) angegeben.

Energie ist also eine abstrakte Rechengröße, welche etwas über einen physikalischen Vorgang aussagt - Energie wird nicht erzeugt, sondern nur verwandelt. Das ist notwendig, weil wir nicht jede Form von Energie gleichermaßen verwenden können. Es macht einen Bergsteiger nicht fitter, wenn er in Sonnenlicht badet, sondern er braucht am besten einen Müsliriegel, der ihm die Art Energie zukommen lässt, die sein Körper umwandeln und somit nutzen kann. Wenn man sein Handy laden möchte, bringt es wenig, dem Gerät einen solchen Snack anzubieten - wieder die falsche Art von Energie. Nur wenn man dem Gerät elektrische Energie zuführt, kann es damit auch arbeiten. So sind wir Menschen darauf angewiesen, dass zum Beispiel Sonnenenergie mithilfe von passenden Empfängern gesammelt und in elektrische Energie umgewandelt wird.

Der oben erwähnte Energieerhaltungssatz gilt übrigens im ganzen Universum - nichts geht verloren, Energie wird nur in kinetische, potenzielle oder elektrische Energie umgewandelt.

Das Material, aus dem Energie gewonnen wird, nennen wir “Energieträger”. In den letzten Jahrzehnten hält sich das Mineralöl auf dem ersten Platz der Verbrauchten Rohstoffe. Der Verbrauch von Braunkohle ist eindeutig zurückgegangen, ebenso wie die Kernenergie, während mehr Gas verbraucht wird und viel mehr erneuerbare Energie.

Copyright: Eigene Darstellung

Formen von Energie

Energie wird genutzt, um Licht oder Wärme abzugeben oder Arbeit für uns zu verrichten. Für jeden Vorgang wird Energie benötigt und jeder natürliche Vorgang erzeugt wiederum Energie.

Unsere Energie speist sich aus der Kernspaltung und -fusion und zu einem geringen Teil auch aus der Gravitation, welche die Drehung des Mondes um die Erde und damit die Gezeiten der Meere auslöst. Durch so genannte Gezeitenkraftwerke werden potentielle und kinetische Energie in elektrischen Strom umgewandelt. Wer schon einmal im Meer baden war, der hat wahrscheinlich schon am eigenen Leib erfahren, wie stark Strömungen sein können und wie viel der eigenen Energie man verbrauchen kann, wenn man gegen diese anschwimmt.

Solche Energieformen, die direkt aus der Natur stammen, werden Primärenergien genannt. Durch eine Umwandlung dieser in eine für den Menschen nutzbare Form, entstehen die so genannten Sekundärenergien. Die Art von Energie, die schließlich bei der Verbraucher:in ankommt, bezeichnet man auch als Endenergie. Dazu zählen sowohl Privathaushalte als auch Dienstleistungen, Industrie und (Handels-) Verkehr. Eine zuvor eingesetzte Primärenergie (z.B. Erdgas) wird in für uns nutzbare, sekundäre Formen von Energie umgewandelt, wie etwa Kraftstoff, Wärme oder Strom.

Werfen wir einen Blick darauf, welche Formen von Energie es gibt und wie diese für uns nutzbar sind!

Mechanische Energie

Kinetische Energie (Bewegungsenergie)

Diese Energieform ist immer dann vorhanden, wenn sich etwas bewegt. Zum Beispiel die Luft (Windrad) oder fließendes Wasser (Wassermühle). Energie wird häufig umgewandelt, um kinetische Energie zu erhalten.

Dem Motor eines Fahrzeugs wird beispielsweise die chemische Energie des Treibstoffs zugeführt, die in Wärmeenergie umgewandelt wird. Dabei wird zum Teil auch Bewegungsenergie erzeugt, welche das Auto schließlich antreibt.

Potenzielle Energie (Mechanische Lageenergie):

Einem Gegenstand, der sich auf einem bestimmten Ortsniveau befindet, wohnt eine gewisse Lageenergie inne. Durch das Wirken der Kräfte kann diese in Bewegungsenergie umgewandelt werden, indem der Gegenstand auf ein niedrigeres Niveau herabgesenkt wird.

So funktionieren zum Beispiel Stauseen, welche die Lageenergie der Wassermengen nutzen und sie bei Bedarf absenken können, um somit Bewegungsenergie zu erzeugen. Diese kann wiederum in elektrische Energie umgewandelt werden.

Innere Energie

Thermische Energie (Wärmeenergie)

Ein Körper besitzt Wärmeenergie aufgrund der Bewegung seiner Moleküle und Atome. Wird diese Bewegung beschleunigt, so steigt auch die thermische Energie, wird sie verringert, sinkt sie. Thermische Energie wird also hauptsächlich aus der Bewegungsenergie dieser Teilchen erzeugt. Je größer die Masse eines Körpers ist und je wärmer seine Temperatur, desto größer ist auch die thermische Energie, die diesem Körper innewohnt.

Der Wert der Wärmeenergie hängt vom Niveau der Temperatur ab. Je höher die Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmespeicher und der Umgebung ist, desto mehr kinetische oder elektrische Energie können aus dem verbrauchten Wärmeanteil gewonnen werden.

Dieser Vorgang kann gut am Beispiel von Wasser nachvollzogen werden: Fällt die Wärmeenergie auf ein gewissen Niveau herab, so gefriert Wasser. Das passiert sehr viel schneller bei stillen Gewässern, da bei ihnen weniger Bewegungsenergie inhärent ist als bei vergleichsweise fließenden Gewässern Steigt die thermische Energie des Wassers, so kann sein Aggregatzustand sich in die entgegengesetzte Richtung bewegen und von fester in flüssige und gasförmige Gestalt übergehen. Bei letzterer halten die Bestandteile nicht mehr zusammen und verflüchtigen sich. Können diese Teilchen nicht entweichen, entsteht Druck.

Diesen Druck kann man auch beobachten, wenn man einen Kessel mit Teewasser aufsetzt. Das Wasser heizt sich maximal auf, wobei Druck entsteht, der dem Teekessel entweichen möchte und gegen den Deckel drückt - dadurch entsteht das charakteristische Pfeifgeräusch eines Teekessels.

Wärmeenergie entsteht unbeabsichtigt bei fast jedem Vorgang von Energieumwandlung durch die Bewegung der Teilchen. Oftmals geht dieser geringe Anteil von Energie “verloren”, was bedeutet, dass er ungenutzt bleibt.

Atomenergie und Kernenergie

Ein Atomkraftwerk wird wird genutzt, um durch Kernspaltung thermische Energie freizusetzen und diese wiederum in elektrische Energie umzuwandeln. Im Vergleich zu anderen Energien kommt es bei der Nutzung von Atomenergie zur Reaktionen von Atomkernen. Dadurch wird eine sehr große Menge an nutzbarer Energie freigesetzt, worunter allerdings auch die für den Menschen extrem schädliche radioaktive Strahlung fällt. Die radioaktiven Abfälle dieses Umwandlungsprozesses bleiben Jahrtausende lang erhalten und müssen zur Endlagerung an einen sicheren Ort gebracht werden. Diese Problematik ist bis heute nicht gelöst, weshalb die Debatte um die Nutzung von Atomkraft die Bevölkerung nachwievor stark polarisiert, denn alle wollen gerne die günstige Atomenergie nutzen, niemand aber in der Nähe eines Atomkraftwerks oder Atommüll-Endlagers wohnen. Angesichts der Nuklearkatastrophe des japanischen Atomwerks Fukushima im März 2011 erfolgte eine gesetzliche Regelung des Staates, stückweise Kernkraftwerke in Deutschland abzuschaffen.

Vorteil dieser Art der Energiegewinnung ist allerdings die vergleichsweise geringe Umweltbelastung bei einem normal verlaufenden Betrieb.

Die Nutzung von Kernenergie durch Fusion statt durch Spaltung scheint verlockend, sie ist schließlich auch die Energiequelle für unsere Sonne - und die ist immerhin rund 6.000° (Oberfläche) bis hin zu 15 Millionen Grad Celsius (Inneres) heiß. Bei diesem Prozess entsteht weniger schädlicher Müll - der soll Schätzungen nach “nur” rund 100 Jahre lang für den Menschen gefährlich sein. Allerdings wird für das Unterfangen mit bisherigen Technologien eine enorme Menge Energie benötigt, sodass es sich momentan kaum lohnt.

Chemische Energie

Chemische Energie tritt bei der Verwertung von (fossilen) Brennstoffen und auch von Nahrung auf. So zum Beispiel bei der Verbrennung von Öl, Gas oder Holz. Die durch chemische Verbindungen im Körper gespeicherte Energie wird freigesetzt und kann in Licht- oder Wärmeenergie umgewandelt werden. Die chemische Energie weist eine hohe Energiedichte (geringes Volumen und Gewicht) auf, weshalb sie im Vergleich zu anderen Energieformen leichter zu speichern ist.

Strahlungsenergie

Jeder hat wahrscheinlich schon einmal am eigenen Leib erlebt, wie schmerzhaft ein Sonnenbrand sein kann und dass dieser nur allzu schnell entsteht, wenn man sich nicht richtig schützt. Diese Form von Strahlungsenergie, die jeden Tag aus dem All auf die Erde herab scheint, nennt sich Lichtenergie.

Mit Ausnahme der geothermischen Energie ist die Strahlungsenergie der Sonne für das Vorhandensein aller weiteren regenerativen Energieformen verantwortlich.

Elektrische Energie

Die elektrische Energie ist für uns eine Art Alleskönner, die sich mit dem richtigen elektronischen Gerät in die unterschiedlichsten Energieformen umwandeln lässt (Glühbirne, E-Scooter, Heizgerät). Die Energie kann über weite Strecken transportiert werden, etwa über ein Stromkabel. Allerdings ist es sehr aufwändig, größere Mengen von elektrischer Energie zu speichern, weshalb sie oft erst zum entsprechenden Zeitpunkt umgewandelt und sofort genutzt wird. Eine handelsübliche Batterie ist beispielsweise gleichzeitig ein Träger und ein Umwandler, die gespeicherte chemische Energie als elektrische Energie freisetzen und für einen elektrischen Verbraucher nutzbar machen.

Energieumwandlung, Energiewende, Nachhaltigkeit

Begriffe wie “Energieerzeugung” und “Erneuerbare Energie” sind im naturwissenschaftlichen Kontext eigentlich widersprüchliche Aussagen, denn Energie lässt sich nicht einfach herstellen, sie ist schon immer da. Diese Aussagen sind auch nicht wörtlich zu verstehen, sondern meinen die sinnvolle und nachhaltige Umwandlung der Energie in die Form, in der wir Menschen sie brauchen und nutzen können.

Energiegewinnung will geplant sein, denn eine achtlose oder falsche Herangehensweise birgt auch Risiken. Eines der größten davon stellt die Gefährdung von Natur und Lebewesen durch radioaktive Strahlung als Folgeprodukt der sonst recht effizienten Energieumwandlung durch Kernkraftwerke dar. Eine weitere, wissenschaftlich belegte Folgeerscheinung der Nutzung fossiler Brennstoffe ist der anthropogene (menschengemachte) Treibhauseffekt. Zusätzlich zum natürlichen Treibhauseffekt beeinflusst der Mensch das Klima etwa seit Beginn des Industriezeitalters stark und treibt den Klimawandel mit global teils katastrophalen Auswirkungen voran.

Fotograf:in: Steve Buissinne, Copyright: Bild von Steve Buissinne auf Pixabay

Viel sicherer sind erneuerbare Energien, deren Energie aus nachhaltigen Quellen gewonnen wird, wie Sonnenenergie, Energie aus Biomasse und Erdwärme sowie Wind- und Wasserkraft. Es wird darauf geachtet, dass die Auswirkungen zur Regenerationsfähigkeit und Stabilität unserer Umwelt beitragen. Somit ist klar, dass Bodenschätze, wie beispielsweise Braunkohle oder Erdöl und andere mineralische Stoffe nicht nachhaltig genutzt werden können, da diese Ressourcen in nicht allzu ferner Zukunft aufgebraucht sein werden. Die Menschheit muss deshalb die Energie langfristig aus anderen Quellen beziehen.

Fotograf:in: Sebastian Ganso, Copyright: Bild von Sebastian Ganso auf Pixabay

Deshalb ist es so wichtig, frühzeitig auf nachhaltige Energien umzuschwenken und schon vor der Erschöpfung fossiler Energiequellen ein umfassendes Versorgungssystem durch Erneuerbare Energien errichtet zu haben. Dieses Bestreben ist in Deutschland mittlerweile unter dem Namen “Energiewende” bekannt.

Worüber machen wir uns Gedanken?

Spätestens seit dem kürzlich erfolgten Angriffskrieg von Russland auf die Ukraine ist deutlich geworden, dass Energieversorgung auch ein politisches Instrument ist (Stand 06.03.22). Die EU und auch die Vereinigten Staaten besprechen Sanktionen, unter anderem äußerte sich auch der US amerikanische Außenminister Anthony Blinken über einen potenziellen Importstopp von russischem Öl. Laut Tagesschau betonte auch der ehemalige Bundespräsident Joachim Gauck seine Zustimmung mit den Worten, man könne “auch mal frieren für den Frieden”. Die deutsche Außenministerin Annalena Baerbock hingegen sprach sich gegen einen Importstopp für russisches Gas aus - dies würde zu einer Destabilisierung von Deutschland führen, vielmehr solle das Land sich darauf konzentrieren, so schnell wie möglich energieunabhängig von Russland zu werden.

Da Deutschland im Gegensatz zu manch anderen EU-Ländern der Lieferung von fossilen Brennstoffen aus Russland, unter anderem mittels der Pipeline Nordstream 2, zugestimmt hat, befindet sich unser Land nun in einer gewissen Abhängigkeit vom Lieferanten. Gut die Hälfte unseres verbrauchten Erdgases wird aktuell aus Russland importiert. Außerdem werden weitere große Anteile unserer fossilen Rohstoffe aus Norwegen sowie den Niederlanden bezogen. Nur etwa 5% unseres Energiebedarfs kann durch die deutsche Gasförderung selbst gedeckt werden.

• Auch die Debatte um ein so genanntes Öl- und Gas-Embargo, ein Handelsverbot für gewisse Länder, ist seitens Europa, Japan und den USA im Gespräch. Dies wäre für Privathaushalte umsetzbar, würde der Industrie jedoch enorm hohen Schaden zufügen. Das bringt Deutschland in eine Zwickmühle, da einerseits die Völkerrechtsverletzung Russlands sanktioniert werden soll, andererseits aber Deutschland auf die Energie-Zulieferung angewiesen ist. Es herrscht eine Instabilität auf den Ölmärkten, was wir bisher beispielsweise dadurch bemerken, dass die Preise fürs Tanken in die Höhe (>2€/l) geschossen sind.
• Kohle- und Gaspreise steigen ebenfalls, wodurch auch die Nachfrage nach Öl wächst. Die Nachfrage übersteigt das Angebot. Dazu kommen zusätzliche Abgaben, wie etwa die Energiesteuer (65ct), CO2-Abgaben (8,5ct) und die Mehrwertsteuer (19%) pro Liter Benzin.

Aktuell wird diskutiert, ob der geplante Kohleausstieg bis 2038 nun doch verlängert werden soll - um Deutschland selbstständig versorgen zu können. Die EU-Kommission will deshalb das so genannte “Nachhaltigkeits”-Gesetz durchbringen, mit welchem auch Atom- und Gaskraftwerke als nachhaltige Energien gelten würden und subventioniert werden könnten. Das allerdings unter der Voraussetzung, dass die Frage der Endlagerung des Atommülls bis zum Jahr 2050 gelöst sein werde und Gaskraftwerke bis 2035 auf Wasserstoff und Biogas umschwenken. Nicht zuletzt deshalb hat die Debatte um einen Ausbau der Infrastruktur für Erneuerbaren Energien und tatsächlich nachhaltiges Ressourcenmanagement wieder an Aufschwung gewonnen.

Wir Bürger:innen können dazu beitragen, indem wir uns selbst im Alltag intensiver mit dem Thema “Energieversorgung” und unserem eigenen Verbrauch auseinandersetzen. Außerdem gibt es die Möglichkeit, in eine erneuerbare und dezentrale Energieversorgung zu investieren. Dabei wird Energie durch kleinere, nahegelegene Werke oder erst unmittelbar bei der Verbraucher:in umgewandelt. Für den Ausbau einer dezentralen Energieversorgung eignen sich deshalb besonders gut regenerative Energien. So können fossile Brennstoffe, deren Nutzung schädliches CO2 in die Umwelt abgibt, eingespart werden. Hierfür kann auch eine zentrale Versorgung durch einen Stromanbieter gewählt werden, dessen Anlagen Ökostrom produzieren. Nutzer:innen, die ihre eigene Energie nutzen, sind allerdings weniger abhängig vom Strommarkt und den Preisschwankungen.

Das Umweltbundesamt bezieht im Beitrag Energieziel 2050 Stellung und rät zu einer Umgestaltung der Stromversorgung. Nur falls diese vollständig auf erneuerbare Energien umgestellt sei, könnten die Treibhausgasemissionen gegen Null gesenkt werden. Aktuell sei der Energiesektor für über 80% der Emissionen in Deutschland verantwortlich. Davon falle über 40% auf die Stromerzeugung zurück. Die Kosten für eine komplette Umstellung seien zwar hoch, jedoch weitaus geringer als solche, die noch für Generationen lang anfielen, würde der Klimawandel ungebremst voranschreiten. Damit diese Ziele erreicht werden können, müssen sowohl Privathaushalte als auch die Industrie und Gewerbe Einsparungsmöglichkeiten erkennen und nutzen.