Energiegewinnung und Energieumwandlung

01. Was versteht man unter Energie?

Energie E (auch: W) erfasst die Fähigkeit eines Körpers bzw. eines physikalischen Systems, Arbeit zu verrichten (griechisch: Energeia = Tätigkeit, Tatkraft). Sie ist eine Zustandsgröße. Zwischen mechanischer Arbeit und Energie besteht der Zusammenhang:

$$∆\; E = W.$$

Bei einem Vorgang ist die Änderung der Energie eines Systems gleich der von außen verrichteten oder nach außen abgegebenen Arbeit.

Die Energie wird in den gleichen Einheiten gemessen wie die Arbeit (J; Nm; Ws).

Energie hat unterschiedliche Erscheinungsformen, die an das Vorhandensein materieller Körper sowie ihren Bewegungen und Wechselwirkungen gebunden ist:

• Mechanische Energie

• elektrische Energie

• magnetische Energie

• thermische Energie

• chemische Energie

• Kernenergie.

Alle Energieformen sind ineinander umwandelbar. In einem geschlossenen System bleibt die Gesamtenergie konstant.

 Wir betrachten zu den Grundlagen der Energie folgendes Lernvideo.

02. Welcher Unterschied besteht zwischen potenzieller und kinetischer Energie?

In der Mechanik wird unterschieden zwischen potenzieller Energie (auch: Lageenergie) und kinetischer Energie (Energie der Bewegung).

• Die potenzielle Energie Epot ist diejenige Energie, die ein ruhender Körper infolge von Krafteinwirkung (Arbeit) innerhalb eines Bezugssystems besitzt. Wird an einem Körper z. B. Hubarbeit verrichtet, steckt diese dann in Form von potenzieller Energie in dem Körper. Diese Energie entspricht nicht der gesamten potenziellen Energie, sondern nur dem Zuwachs an potenzieller Energie beim Heben um die Strecke h (Ausgangspunkt kann willkürlich gewählt werden). Wird der Körper um die Höhe h gesenkt, gibt er diese bestimmte Energie Epot ab. Durchfällt ein Körper die Höhe h, so wandelt sich seine potenzielle Energie Epot in kinetische Energie Ekin gleicher Größe um.

  Auch die zur Verformung elastischer Körper aufzuwendende Verformungsarbeit WF wird im Körper als potenzielle Energie gespeichert und als Spannungsarbeit bzw. Spannungsenergie bezeichnet:

   

  $$E_{pot} = \frac{Ds^{2}}{2}$$

  Dabei ist:

   

  E_pot = potenzielle Energie (Spannenergie) in Nm bzw. J  
  D = Federkonstante k in N/m  
  s = Federweg in m

• Kinetische Energie oder Energie der Bewegung ist dann in einem Körper vorhanden, wenn an ihm Arbeit verrichtet wird (Beschleunigungsarbeit). Die kinetische Energie berechnet sich nach der Gleichung:

   

  $$E_{kin} = \frac{1}{2}\; mv^{2}$$

  Dabei ist:

   

  E_kin = kinetische Energie in J  
  m = Masse des Körpers in kg  
  v = Geschwindigkeit des Körpers in m/s

03. Was sagt der „Satz von der Erhaltung der mechanischen Energie“ aus?

Entsprechend dem allgemeinen Energieerhaltungssatz kann Energie nicht erzeugt oder vernichtet, sondern nur übertragen oder umgewandelt werden: ∑ E = konstant. Bezogen auf das Teilgebiet der Mechanik bedeutet das:

In einem abgeschlossenen mechanischen System bleibt die Summe der mechanischen Energie (potenzielle und kinetische Energie) konstant: Epot + Ekin = konstant

04. Was bezeichnet man als Wirkungsgrad?

Unter dem Wirkungsgrad η versteht man das Verhältnis der abgegebenen bzw. nutzbaren Leistung Pab zur zugeführten Leistung Pzu:

$$η = \frac{P_{ab}}{P_{zu}}$$

Es ist häufig zweckmäßiger, den Wirkungsgrad nicht als Verhältnis zweier Leistungen, sondern als Verhältnis zweier Arbeiten auszudrücken: Dann ist der Wirkungsgrad

$$η = \frac{Nutzarbeit}{Gesamtarbeit} = \frac{W_{ab}}{W_{zu}}$$

Da die von einer Maschine abgegebene Arbeit Wab stets kleiner ist als die zugeführte Arbeit Wzu, ist der Wirkungsgrad η jeder Maschine immer kleiner als 1 [0 

Bei mehrfacher Energieumsetzung bzw. -übertragung ist der Gesamtwirkungsgrad ηges das Produkt der einzelnen Wirkungsgrade:

$$η_{ges} = η_{1} \cdot η_{2} \cdot … \cdot η_{n}$$

05. Welcher Unterschied besteht zwischen Primär- und Sekundärenergie?

• Primärenergiequellen sind solche, die in der Natur unmittelbar vorhanden sind. Man unterscheidet „sich ständig erneuernde Energien“ und „sich verbrauchende Energie“.

  Beispiele:

  Braunkohle, Steinkohle, Erdöl, Sonnenstrahlung, Wind, Holz, Erdgas, Uranerz, Erdwärme, fließendes oder gestautes Wasser (Energienutzung über Gezeitenkraftwerke und Wellenkraftwerke).

• Sekundärenergiequellen sind aus Primärenergiequellen umgewandelte Energieformen. Die Primärenergie wird also vom Energiedienstleister in eine verbrauchsgerechte Form umgewandelt.

  Beispiele:

  Koks oder Briketts aus Braun- oder Steinkohle; Benzin, Heizöl und Dieselkraftstoff aus Erdöl; elektrischer Strom oder Fernwärme aus Kohle, Erdöl, Erdgas oder Klärgas.

06. Warum unterscheidet man Nutzenergie und ungenutzte Energie?

Beim Umwandlungs- und Verteilungsprozess entsteht Nutzenergie und ungenutzte Energie. Außerdem benötigt die Energieerzeugungsanlage (z. B. Kraftmaschinen) in einer Reihe von Fällen kurzfristig selbst Nutzenergie für den Eigenbedarf.

• Endenergie ist das Ergebnis der Energieumwandlung = Nutzenergie + ungenutzte Energie.

   

  $$Endenergie = Nutzenergie + ungenutzte\; Energie$$

• Nutzenergie ist die Energie, die dem Verbraucher nach der Energieumwandlung zur Verfügung steht.

• Ungenutzte Energie ist die Energie, die bei der Energieumwandlung aus dem System entweicht und zur Nutzung nicht zur Verfügung steht (z. B. Reibung). Umgangssprachlich wird die Bezeichnung „Energieverluste“ gewählt; nach dem „Satz von der Erhaltung der mechanischen Energie“ (vgl. oben) ist diese Ausdrucksweise falsch.

Überblick: Prämärenergien und Nutzenergien

07. Welche Aktivitäten werden unter dem Begriff „Energiewirtschaft“ zusammengefasst?

Die Energiewirtschaft umfasst alle Aktivitäten zur Bereitstellung von Energiedienstleistungen:

• „Erzeugung“

• Umwandlung

• Transport

• Import

• Lagerung

• Verteilung.

von Energie sowie die Umwandlung der Endenergie in Nutzenergie beim Verbraucher.

Zur „Energieerzeugung“ und -umwandlung gehören:

• Bereitstellung von Primärenergieträgern

• Umwandlung von Primärenergie in Sekundärenergie.

08. Welche Bedeutung hat die Energie in der Volks- und Betriebswirtschaft?

Der Aufwand an erneuerbaren und nicht erneuerbaren Primärenergieträgern pro Energiedienstleistung wird bestimmt durch die Effizienz und den Wirkungsgrad der Energieumwandlung entlang der gesamten Prozesskette.

Die Energie hat in der Volkswirtschaft und in den Unternehmen eine Schlüsselstellung: Sie ist ein Hauptbestandteil der Vorleistungen zur Erzeugung von Produkten und Dienstleistungen. Die Energiebereitstellung (Kraftwerke usw.) ist kapitalintensiv. Eine Änderung in der Struktur der Energieerzeugung lässt sich nur langfristig erreichen und ist politisch von gegensätzlichen Interessen gekennzeichnet (Verbraucher, Erzeuger, Umweltschutz, Industrie-/Drittländer).

Aufgrund der Initiativen des Europäischen Parlaments wird die Liberalisierung des Strommarktes voranschreiten; in Deutschland wurde eine staatliche Regulierungsbehörde eingerichtet. Nach wie vor kann man jedoch noch von einer Monopolstellung der Stromerzeuger auf dem deutschen Markt sprechen.

09. Welche Energievorräte existieren weltweit?

Die Weltvorräte an Energierohstoffen sind nur schwer abzuschätzen; die Angaben von Experten differieren. Die bekannten Vorräte an fossilen Rohstoffen nehmen bisher noch jährlich zu, weil derzeit das Volumen der Neuentdeckungen größer ist als das des Abbaus. Dies darf nicht darüber hinwegtäuschen, dass mittel- bis langfristig die Vorkommen an Mineralöl und Erdgas erschöpft sein werden. Für die Kohle- und Uranvorkommen gilt ein Zeithorizont von mehreren Hundert Jahren.

Grobe Schätzungen sprechen davon, dass der Vorrat an Erdöl noch ca. 50 Jahre, an Erdgas noch ca. 60 Jahre und an Kohle noch ca. 250 – 300 Jahre reichen wird.

Das Energiepotenzial der Erde lässt sich auch deshalb schwer abschätzen, weil Unsicherheit besteht, in welchem Umfang erneuerbare Energiequellen (Biomasse, Sonnen-, Wind-, Gezeitenenergie sowie geothermische Energie und Wasserkraftnutzung) ökonomisch und ökologisch sinnvoll genutzt werden können.

Ausgewählte Daten zum Energieverbrauch in der Welt und in Deutschland:

• Der Energieverbrauch weltweit steigt seit Jahren.

• Der Energieverbrauch ist weltweit ungleich verteilt: Den stärksten Energieverbrauch haben China (ca. 23 %), USA (ca. 17 %), Indien (ca. 5,5 %) und Russland (ca. 5 %).

• Zum Vergleich: Deutschland benötigt ca. 2,4 % der weltweiten Primär-Energie.

• Der Anteil der Energieträger am Primärverbrauch in Deutschland hat sich verändert:

  • Kohle und Kernenergie sind zurückgegangen

  • Naturgas ist gestiegen

  • erneuerbare Energien sind gestiegen.