Klimaneutrale Energienutzung: Wenn nur die Politik nicht wäre

Von Helmut Jantos

Seit Jahrzehnten wird versucht, die Energienutzung klimaneutral zu gestalten. Das Ergebnis nimmt sich angesichts des Aufwands bislang bescheiden aus. Das vorliegende Buch zeigt auf, warum das so ist, und entlarvt die Mythen der Energiepolitik. Klimaneutrale Energienutzung ist, ohne Verzicht zu üben oder auf Kernenergie zurückzugreifen, technisch und wirtschaftlich möglich. Schritte in die richtige Richtung werden vorgestellt. Der Autor hat seine jahrzehntelangen Erfahrungen und seine Erkenntnisse mit der Umsetzung von Politik im Energiemarkt verständlich zusammengefasst.

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: tredition
• Erscheinungsdatum: 12. Dez. 2021
• ISBN: 9783347459243

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Teil 1: Grundlagen – was muss, das muss

Geschichte der Energienutzung – vom Feuerstein zum Lichtschalter

Am Anfang hatte der Mensch nur seine Muskelkraft. Die Energie, die er sich in Form von Nahrung, sei es pflanzlicher oder tierischer Natur, zuführte, wurde über biochemische Prozesse in Muskelkraft umgewandelt. Gleichzeitig sorgte die „Verbrennung" der Biomasse im menschlichen Körper für den Erhalt der Körpertemperatur unabhängig von Temperaturschwankungen der Umgebung. Damit unterschied er sich zunächst nicht von anderen Säugetieren, aber damit waren ihm auch Grenzen gesetzt:

Er konnte nur sehr langsam reisen; die Überquerung von Ozeanen war ihm gar nicht möglich. In allzu kalten Gebieten konnte er nicht dauerhaft überleben. Irgendwann machte sich der Mensch auf den Weg, mehr zu sein als andere Lebewesen. Auf diesem Weg spielte die Nutzung von Energie eine ganz wichtige Rolle. Viele Entwicklungsschritte in der Geschichte der Menschheit wären ohne die Nutzung neuer Energiequellen gar nicht möglich gewesen.

Zunächst gelang es dem Menschen, das Feuer zu bändigen. Als Brennstoff dienten Holz, Pflanzen und Tier-Dung, die für die damalige, geringe Bevölkerung in ausreichendem Maße vorhanden war. Wo sie nicht vorhanden waren, lebten eben weniger oder keine Menschen. Das Feuer gab dem Menschen Wärme, Licht, ermöglichte Rodung, erweiterte den Speiseplan um gebratenes Essen und diente als Waffe. Licht benötigte der Mensch nur nach Sonnenuntergang und Wärme nur in kalten Zeiten.

Mechanische Energie stand ihm mit dem Feuer zunächst nicht zur Verfügung. Doch auch hierfür fand sich eine Lösung. Der Mensch domestizierte Tiere, nicht nur als Nahrungsquelle, sondern als Zugtiere beim Ackerbau, Lasttiere beim Transport von Material, und es gelang ihm auf Pferden, Eseln und Kamelen zu reiten. Damit vervielfältigte er seine Reisegeschwindigkeit und die täglich zurücklegbaren Entfernungen deutlich. In Verbindung mit der Erfindung des Rades war zudem der Transport von mehr, größeren und schwereren Gütern möglich.

Als nächste Energiequelle gewann er die Windenergie. Die naheliegendste Nutzung war das Segelboot. Im Vergleich zum mühsamen Rudern gab es auch hier einen deutlichen Zuwachs an Geschwindigkeit und Reichweite sowie in hohem Maße an Transportkapazität. Allerdings war die Windenergie nicht immer im gewünschten Maße zuverlässig vorhanden. Je nach Windstärke und -richtung konnten Reisen länger dauern als gewünscht, bei Flaute gab es gar kein Fortkommen und ab einer gewissen Windstärke konnte nicht mehr gesegelt werden. Zwar war Segeln grundsätzlich auch auf Flüssen und anderen Binnengewässern möglich, aber die zur Verfügung stehende Windenergie war deutlich geringer und unstetiger als auf dem Meer und regional teilweise gar nicht verfügbar.

Nachdem sich die Kenntnisse der Mechanik und die handwerklichen Fertigkeiten des Menschen weit genug entwickelt hatten, gelang der Bau von Windmühlen. Mit ihrer Hilfe wurde Windenergie in mechanische Energie in Form von rotierenden Wellen umgesetzt. Diese Antriebsenergie konnte zum Mahlen von Getreide, zum Sägen von Holz, zum Betrieb von Wasserpumpen und für viele andere Zwecke genutzt werden, wo sie Mensch und Nutztier weit überlegen war, was die Produktivität betrifft.

Eine ähnliche Möglichkeit bot die Nutzung der Wasserkraft, die anfangs in Form von Wasserrädern, die einfach in einen Flusslauf gehängt wurden, erfolgte. An geeigneten Standorten konnten von ihnen die gleichen Aufgaben wie von den Windrädern übernommen werden.

Das regional unterschiedliche Angebot an den genannten Energiequellen, sowie der insbesondere durch Klimabedingungen regional unterschiedliche Bedarf an Energie sind Gründe dafür, dass sich die Menschheit in unterschiedlichen Regionen auch unterschiedlich entwickelt hat. So war die Mittelmeerregion in der Antike klar im Vorteil, weil es im Winter keinen Heizbedarf gab, das Tageslicht ganzjährig in ausreichendem Maße zur Verfügung stand und über das Meer Reisen und Transporte weitaus besser möglich waren als über Land. Zudem gab es (damals noch) genug Wälder, die Brennstoff lieferten, und fruchtbare Böden, die so viel Ackerbau ermöglichten, dass große Nutztierherden ernährt werden konnten.

Bis in die Neuzeit blieb es bei den genannten Energiequellen. Ihre Nutzung wurde optimiert und verbreitet, aber grundlegende Neuerungen gab es nicht. Energie konnte nicht gespeichert werden, sie konnte nicht transportiert werden, und elektrische Energie kannte man überhaupt nicht. Wind und Wasser konnten nur vor Ort und zu gegebener Zeit genutzt werden.

Ein Paukenschlag, ein Meilenstein, war die Erfindung der Dampfmaschine, die durch James Watt 1769 maßgeblich verbessert wurde. Sie war die erste Maschine, mit der mechanische Energie aus der Verbrennungswärme von Holz, Kohle oder ähnlichen Brennstoffen gewonnen werden konnte. Die Dampfmaschine konnte jederzeit Antriebsenergie liefern, war in der Leistung regelbar, unabhängig von den Launen des Wetters, konnte an jedem Ort, an dem Brennstoff zur Verfügung stand (der konnte ja grundsätzlich transportiert werden), genutzt werden und war von kompakter Bauweise im Vergleich zu Wind- und Wasserrädern.

Mit der Erfindung der Dampfmaschine setzte folglich die industrielle Revolution ein. Die Dampfmaschine ermöglichte den Bau von Dampflokomotiven und von Dampfschiffen. Eisenbahnen wurden gebaut, so dass die Reisezeiten für Personen und Güter gegenüber dem Transport mit der Kutsche und zu Pferd sich deutlich verkürzten und die Reisekosten ebenso. Der Einsatz von Dampfschiffen bewirkte das Gleiche auf den Meeren, Seen, Flüssen und Kanälen.

Durch Einsatz von Riemenantrieben, die die Rotationsenergie einer Dampfmaschine auf viele Arbeitsmaschinen unterschiedlicher Art verteilten, wurde die Abkehr von der Manufaktur zur industriellen Produktion von Gütern aller Art, von Textilien über Möbel bis zu Stahl möglich.

Der Brennstoffbedarf der Dampfmaschinen war gewaltig. Als Alternative zum Holz bot sich Kohle an. Der Abbau von Kohle wurde mit Dampfmaschinen selbst einfacher, weil diese die Förderbänder und -körbe für den Transport in den Minen antreiben konnten. Zudem konnte die Kohle jetzt weiter, schneller und billiger transportiert werden. Trotzdem waren Regionen, die keine eigenen Kohlevorkommen hatten, im Nachteil. Die industriellen Zentren entstanden dort, wo Kohle verfügbar war, zum Beispiel in Mittelengland, im Ruhrgebiet, in Pennsylvania.

Es dauerte wieder rund 100 Jahre, bis der nächste Meilenstein der Geschichte der Energienutzung erreicht wurde. Das Phänomen der Elektrizität war ausreichend bekannt, als Werner von Siemens 1866 den Generator erfand. Ein Generator wandelt mechanische Rotationsenergie mit Hilfe einer Spule und eines Magneten in elektrische Energie um. Baulich gesehen ist ein Generator das Gleiche wie ein Elektromotor, nur mit umgekehrter Energierichtung.

Als erstes wurden Generatoren in Wasserkraftwerken bei den Niagarafällen eingesetzt. Wasserkraftwerke waren keine Wasserräder mehr, vielmehr wurde das Wasser eines Flusslaufs geringfügig angestaut und dann mit mehr oder weniger Gefälle auf eine Turbine geleitet. Die Turbine war über eine Antriebswelle mit dem Generator verbunden und erzeugte somit elektrische Energie. Der Strom wurde tatsächlich primär nicht zum Antrieb von Elektromotoren und damit für mechanische Energie verwendet, sondern in der Elektrolyse zur Herstellung von chemischen Grundstoffen. Hierfür war der Einsatz von elektrischer Energie nämlich alternativlos.

Sehr schnell wurden überall auf der Welt, wo es die topographischen Voraussetzungen zuliessen, Wasserkraftwerke gebaut und regionale Stromnetze aufgebaut. Die Elektrifizierung begann. Mit Dampfmaschinen war die Erzeugung von Strom ebenfalls möglich. Eine effizientere Möglichkeit, die Wärmeenergie aus der Verbrennung der Kohle in mechanische Rotationsenergie umzuwandeln, boten Dampfkraftwerke. Der durch die Verbrennungshitze entstandene Wasserdampf wird auf Turbinen geleitet, die dadurch in Rotation versetzt werden. Die Turbinen wiederum sind mit dem Generator gekoppelt. Dieses Prinzip wird bis heute in allen Kohlekraftwerken angewendet.

Die Zahl der Dampfkraftwerke wuchs ebenso schnell wie die Stromanwendungen. Die elektrische Beleuchtung trat ihren Siegeszug ebenso an wie der Elektromotor, der Waschmaschinen, Straßenbahnen, Werkzeugmaschinen, Aufzüge etc. antrieb. Mit Telegrafie, Telefon und Rundfunk sowie Filmen begann zudem das Zeitalter der Kommunikations- und Unterhaltungstechnik, alles ohne elektrische Energie nicht möglich. Dementsprechend wuchsen auch die zunächst lokalen Stromnetze Stück für Stück zusammen. Stationär stand dem Menschen über die elektrische Energie und den Elektromotor mechanische Energie zur Verfügung, für den Transport gab es aber nur Lösungen für Schienenfahrzeuge.

Der erste Verbrennungsmotorwagen, auch Auto genannt, wird Carl Benz und Gottfried Daimler im Jahr 1886 zugeschrieben. Mit der Entdeckung des Erdöls gab es flüssige Brennstoffe. Anders als bei der Dampfmaschine und dem Dampfkraftwerk wird die im Brennstoff gespeicherte Energie bei der (explosionsartigen) Verbrennung über den Kolben und die Pleuelstange direkt in mechanische Energie der Antriebswelle umgesetzt, ohne den Umweg über den Wasserdampfkreislauf. Das erlaubt eine kompakte Bauform, wie es für mobile Anwendungen entscheidend ist.

Mit der (Trocken-)Batterie wurde seit 1887 eine Möglichkeit geschaffen, Energie in kleinem Maßstab sehr einfach und praktisch für elektrische Anwendungen losgelöst von Stromnetzen und Maschinen zu nutzen. Mit diesen Erfindungen und ihrer Entwicklung zu einem alltagstauglichen Produkt standen dem Menschen energieseitig die meisten technischen Möglichkeiten, die bis zum Ende des 20. Jahrhunderts unser Leben geprägt haben, zur Verfügung.

Der Mensch kann seitdem zu Lande, zu Wasser und in der Luft schnell weite Strecken zurücklegen und dabei große Lasten transportieren. Mechanische und elektrische Energie stehen an stationären Orten kostengünstig jeder Zeit in hoher Qualität zur Verfügung und ermöglichen eine Vielzahl von Prozessen, Produktionsmethoden, Anwendungen und Einsatzmöglichkeiten, die dem Menschen das Leben extrem vereinfacht haben und Voraussetzung für unser ganzes, modernes Leben sind. Diese moderne Welt hat es überhaupt erst möglich gemacht, dass heute mehr als 8 Milliarden Menschen auf der Erde leben.

Manche Energieformen und -techniken aus der Geschichte waren inzwischen zumindest vorübergehend ausgemustert worden. Pferde und Segelboote werden nur noch zu Freizeitzwecken genutzt, Landwirte bevorzugen Traktoren, Windmühlen dienten nur noch touristischen Zwecken. Offenes Feuer wird privat nur noch zum Grillen, im Kamin oder für Kerzen benutzt, weil es Spaß macht, nicht, weil es energetisch vorteilhaft wäre.

Der rasant steigende Bedarf nach fossilen Brennstoffen führte zu einer Ausweitung der Öl- und Kohleförderung und ebnete ab den sechziger Jahren einem weiteren Energieträger den Weg, dem Erdgas.

Nichtsdestotrotz forschte der Mensch weiter an neuen Energieformen. Hauptmotivation waren neben Begeisterung für technische Innovationen der Wunsch, Energie noch kostengünstiger zu bekommen und sie auch für solche Regionen verfügbar zu machen, die über keine ausreichenden Vorkommen an den fossilen Energieträgern Kohle, Öl und Gas verfügten.

Das Ergebnis war die Kernenergie, auch als Atomkraft bezeichnet. In einem Kernreaktor werden Atomkerne gespalten. Die dadurch freiwerdende Wärmeenergie wird wie bei einem Dampfkraftwerk zur Erzeugung von Wasserdampf genutzt. Der Wasserdampf treibt Turbinen an, die mit einem Generator gekoppelt sind.

Mit der ersten Ölkrise 1973, in der sich Staaten, die über große Teile der damaligen Ölförderung verfügten, zu einem Kartell (OPEC) zusammenschlossen und durch Preisabsprachen den Ölpreis vervielfachten, erhielt die Kernenergie einen kräftigen Schub.

Mit den „Grenzen des Wachstums" des Club of Rome von 1972 kamen der Menschheit erstmals Zweifel, ob der technische Fortschritt, dass Wachstum von Wirtschaft, Bevölkerung, Energie- und Ressourcenverbrauch unendlich sei. Die Angst vor einem Ende der fossilen Energiereserven machte die Runde. Den Ölvorräten wurde eine Erschöpfung in vierzig Jahren (von damals ausgesehen) vorhergesagt.

Der bisherige Umgang mit der Umwelt hatte das Maß des Zuträglichen überschritten. Bis dahin waren die Abgase von Autos und Kraftwerken samt Staub, Stickoxiden und Schwefeldioxid ungefiltert in die Luft gepustet worden. Die Folge war unter anderem saurer Regen und damit sterbende Wälder. Energiesparen war angesagt.

Der Treibhauseffekt rückte in etwa zur gleichen Zeit in das Bewusstsein der Menschen. In einem Treibhaus gelangt Sonnenlicht durch die (Glas-)Fassade in den Innenraum des Gebäudes. Durch die Absorption der Strahlung im Gebäude ändert sich die Wellenlänge der Wärmestrahlen, so dass diese von innen nicht wieder nach draußen dringen. Das Sonnenlicht wird also quasi im Gewächshaus „gefangen" und durch den Energieeintrag steigt die Temperatur.

Den gleichen Effekt wie die Gewächshaushülle hat das in der Atmosphäre angereicherte Kohlendioxid (CO2) sowie andere, sogenannte klimawirksame Gase. Die Folge ist, dass es unter dieser CO2-Schicht auf der Erde immer wärmer wird.

Bereits in den achtziger Jahren gab es die ersten Solarzellen, die Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umwandeln. Dieses Prinzip erwies sich für spezielle Anwendungen an abgelegenen Orten oder für mobile Anwendungen von Vorteil.

1986 ereignete sich im ukrainischen Tschernobyl (damals noch Sowjetunion) der bis dahin schwerste Unfall in einem Kernkraftwerk, ein Super-GAU (Größter Anzunehmender Unfall). Es gab viele Tote und Verletzte, genetische Veränderungen bei der nachfolgenden Generation Menschen. Große Mengen radioaktiver Strahlung gelangten bis nach Europa. Der Unglücksreaktor sendet bis heute große Mengen radioaktiver Strahlung aus und wurde in mehreren Stufen mit riesigem Aufwand (vor allem mit EU-Geldern) eingekapselt. Auch 35 Jahre danach sind große Gebiete im Umfeld unbewohnbar. Der Siegeszug der Kernenergie kam damit zum Stillstand.

In den neunziger Jahren erlebte die Windenergie eine Wiedergeburt. Anders als historische Windkraftanlagen erzeugten die neuen Anlagen jedoch aus der Rotationsenergie Strom, der in das Stromnetz eingespeist wurde.

Im Jahr 2000 war die Weltbevölkerung bereits auf 5 Milliarden Menschen angewachsen. Dementsprechend hatte sich der globale Energieverbrauch vervielfacht und mit ihm die CO2-Emissionen. Die Weltgemeinschaft hatte in zahlreichen Klimakonferenzen versucht, sich auf gemeinsame Lösungen zur Eindämmung der CO2-Emissionen und zum Klimaschutz zu verständigen. Seit über 30 Jahren ist CO2-Reduzierung ein politisches Thema. Doch die CO2-Emissionen stiegen und steigen weiter.

Zwar gab es seit den siebziger Jahren immer wieder Teilerfolge bei der Reduzierung des Energieverbrauchs, dem Ausbau regenerativer Energien und der effizienteren Energieumwandlung, Bevölkerungs- und Wirtschaftswachstum sowie die ausgiebigere Nutzung von Energie machten sie jedoch schnell wieder zunichte.

2015 brachte die amerikanische Firma Tesla mit dem Model S das erste batteriegetriebene Elektroauto auf den Markt, dass über so viel Reichweite, Ladegeschwindigkeit und Leistung zu einem solchen Preis verfügte, dass es in erheblichen Stückzahlen verkauft wurde und wird und eine enorme Begeisterung für diese Art des Antriebs hervorgerufen hat.

2016 wurde auf einer Klimakonferenz in Paris beschlossen, dass kein Staat nach 2050 im Saldo mehr Treibhausgase ausstoßen dürfe. Der Weg dorthin ist offen, Sanktionen bei Nichteinhaltung nicht vorgesehen und Staaten können aus dem Abkommen austreten, wovon die USA bereits Gebrauch gemacht hatten. Seit 2017 erinnert uns die von Greta Thunberg ins Leben gerufene Bewegung „Fridays for Future" sehr erfolgreich daran, dass es wie bislang nicht weitergehen kann.

Energieformen – wenn nur die Physik nicht wäre

Der Energiebegriff ist universell. Energie geht nie verloren, sie wird nur in andere Formen umgewandelt. Deswegen wird in diesem Buch von Energienutzung gesprochen. Die Begriffe Energieerzeugung und Energieverbrauch sind irreführend. Die wichtigsten Energieformen sind:

Mechanische Energie

Mechanische Energie ist von allen Energiearten am anschaulichsten. Potentielle Energie ist z.B. die Energie des Wassers in einem Stausee. Die Energie errechnet sich aus der Masse des Wassers und der Höhe über dem Unterbecken bzw. Wasserabfluss. Auch eine gespannte Feder oder ein unter Druck stehender Behälter (z.B. Reifen) stellen Fälle von potentieller Energie dar.

Kinetische Energie ist die Verbindung von Kraft und Bewegung. Die Bewegung kann dabei geradeaus erfolgen, wie z.B. bei einem fahrenden Fahrzeug oder fließendem Wasser, oder in Form einer Drehbewegung wie bei einem Rad oder einer Dampfturbine (Rotationsenergie).

Mechanische Energie wird zum Antrieb von Transportmitteln aller Art, zum Antrieb von Maschinen im Haushalt, in der Industrie, in Handel und Gewerbe benötigt.

Elektrische Energie

Mit elektrischer Energie wird die in einem elektrischen Feld durch Trennung elektrischer Ladungen gespeicherte Energie bezeichnet. Außerdem wird darunter die mit elektrischem Strom transportierte Energie verstanden.

Thermische Energie

Thermische Energie (Wärme- oder Kälteenergie) ist die kinetische Energie von Molekülen in einem Stoff. Je mehr Bewegungen die Teilchen ausführen, desto höher die Temperatur und desto höher die thermische Energie.

Wärmeenergie wird auf unterschiedlichen Temperaturniveaus und für unterschiedliche Zwecke benötigt. Den größten Anwendungsbereich stellen die Raumwärme und das warme Wasser für den Haushalt da.

Auch Kälteenergie wird auf unterschiedlichen Temperaturniveaus benötigt. Zur Klimatisierung reicht ein Temperaturniveau knapp unterhalb der gewünschten Raumtemperatur. Für Kühl- und Gefrierzwecke in Haushalt und Gewerbe sind entsprechend tiefere Temperaturen erforderlich. Für industrielle Anwendungen in der chemischen oder anderen Industrie sind teilweise noch tiefere Temperaturniveaus erforderlich.

Chemische Energie

Chemische Energie ist die Bindungsenergie der Elektronen in den Atomhüllen von Stoffen. Bei der chemischen Umwandlung von Stoffen in andere Stoffe wird Energie frei (exotherme Reaktion) oder es muss Energie zugeführt werden (endotherme Reaktion). Erfolgt die chemische Reaktion in der anderen Richtung muss die Energie zugeführt werden bzw. wird wieder frei. In chemischen Stoffen (reinen Elementen oder Verbindungen) kann somit Energie gespeichert werden.

Spezialfall elektrochemische Energie

Bei elektrochemischer Energie ist die chemische Reaktion mit einem elektrischen Stromfluss verbunden, sei es, dass der Strom zugeführt wird (Elektrolyse) oder abgegeben wird wie beim Entladen einer Batterie.

Strahlungsenergie

Elektromagnetische Strahlung ist ebenfalls eine Form der Energie. Zu den elektromagnetischen Strahlungen gehören Wärmestrahlung (Infrarot), sichtbares Licht, ultraviolettes Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlen und Gammastrahlen. Die Energieintensität nimmt in Richtung der Aufzählung zu. Strahlungsenergie kann ohne Materie über sehr weite Strecken transportiert werden. Im Weltall ist der Transport sogar verlustfrei. Sonnenstrahlen transportieren auf diesem Weg Energie zur Erde. Wenn elektromagnetische Strahlen auf Materie treffen, wird die Energie je nach Strahlung und Materie teilweise absorbiert und in thermische Energie oder auch chemische Energie umgewandelt, teilweise durchdringt sie jedoch auch Materie.

Kernenergie

Kernenergie ist die Energie, die bei der Spaltung von Atomkernen freigesetzt wird.

Mithilfe geeigneter, technischer Einrichtungen können die Energieformen in einander umgewandelt werden. So wandelt ein Generator mechanische Energie in elektrische Energie um, ein Verbrennungsmotor wandelt erst chemische Energie in thermische Energie um und dann in mechanische Energie.

Allerdings hat die Natur bei der Umwandlung Grenzen gesetzt. Energieformen sind nicht alle „gleichwertig. Es gibt „hochwertige Energien, die zumindest theoretisch zu 100% in andere Energieformen umwandelbar sind, und solche bei denen der zweite Hauptsatz der Thermodynamik Grenzen setzt.

Elektrische, mechanische und größtenteils auch chemische Energie sind zu 100% in andere Energieformen wandelbar. Das bedeutet nicht, dass uns Menschen das mit unseren technischen und praktischen Möglichkeiten auch vollständig gelingt. In aller Regel entstehen hierbei sehr wohl in kleinem oder großem Umfang „Verluste" an Energie.

Was passiert mit dem Rest? In der Alltagssprache spricht man von Verlustenergie, was streng genommen physikalisch falsch ist, denn Energie geht nie verloren. Vielmehr entsteht in aller Regel bei solchen praktischen Umwandlungsprozessen Wärmeenergie, was jeder aus eigener Erfahrung bestätigen kann, denn Motoren, Batterien etc. werden im Betrieb warm.

Die Wärmeenergie oder thermische Energie ist hinsichtlich ihrer Wertigkeit und ihrer Umwandelbarkeit in andere Energieformen die komplizierteste. Ob und wieviel der Wärmeenergie in andere Energieformen theoretisch umwandelbar ist, hängt nämlich vom jeweiligen Temperaturniveau im Verhältnis zur jeweiligen Umgebungstemperatur ab. 600 °C heißer Wasserdampf lässt sich – eine entsprechende Vorrichtung vorausgesetzt – zu erheblichen Teilen in mechanische oder auch in chemische Energie umwandeln.

Umgebungsluft hingegen, die ja sehr wohl Wärmeenergie beinhaltet, lässt sich überhaupt gar nicht in andere Energieformen umwandeln. Wärmeenergie auf dem Temperaturniveau der Umgebung ist die „minderwertigste Energieform. Mit steigendem Temperaturniveau steigt auch der Anteil der Energie, die umwandelbar ist. Die Umwandlung von Wärmeenergie auf niedrigem Temperaturniveau ist technisch sehr aufwändig. Zu den ohnehin schon hohen, theoretischen „Verlusten kommen somit noch die praktischen Verluste.

Energieeffizienz wird häufig als ein Baustein zu einer klimaneutralen Energieversorgung angesehen. Hieran sind Zweifel angebracht. Die Energieeffizienz hat seit Jahrzehnten große Fortschritte gemacht. Wirkungsgrade von Motoren und Kraftwerken sind deutlich gestiegen, der Energieeinsatz in Industrieprozessen konnte bezogen auf die Produktionsmenge deutlich reduziert werden, praktisch alle Energieverbraucher im Haus sind heute viel „sparsamer" und effizienter, ob Beleuchtung Kühlschrank oder Heizung. Der Rückgang des Energieverbrauchs insgesamt ist im Vergleich dazu sehr gering.

Dieses Phänomen ist als auch als Jevons-Paradoxon bekannt. Technische Effizienzfortschritte führen nicht zu einem geringeren Bedarf an Ressourcen, sondern eher zu einem höheren. Das liegt daran, dass der Effizienzgewinn zu einer Verbilligung führt und das dadurch zur Verfügung stehende Geld wieder für andere Dinge ausgegeben wird. Bezogen auf Energie bedeutet das, dass die Häuser und Wohnungen größer werden, die Kühlschränke und andere Geräte ebenso und an Anzahl zunehmen, der Verkehr nimmt zu und die Beleuchtung wird heller. Das Phänomen existiert auch bei Computern, wo Prozessoren immer schneller und Speicherkapazitäten immer größer werden, ohne dass sich das bei der Arbeit mit den Geräten in gleichem Maße bemerkbar macht.

Die Herstellung von Energiewandlungsanlagen und auch die Beschaffung der Brennstoffe erfordert selbst einen erheblichen Energieaufwand. Bei Kernkraftwerken stellte sich erstmals die Frage, ob die Kraftwerke denn überhaupt so viel Energie nutzbar machen, wie zu ihrer Herstellung und der Herstellung des Kernbrennstoffs erforderlich ist. Das Verhältnis von nutzbar gemachter Energie zu „investierter" Energie wird als Erntefaktor bezeichnet. Ein Wert kleiner als 1 deutet daraufhin, dass die Anlage besser gar nicht erst gebaut worden wäre.

Fossile Kraftwerke haben Erntefaktoren von ungefähr 30. Bei Kernkraftwerken liegen die Werte auf jeden Fall sehr viel höher. Bei Photovoltaikanlagen war der Erntefaktor in der Anfangszeit durchaus nicht sehr weit über 1, inzwischen liegt er bei Werten von bis zu 10. Den geringsten Erntefaktor der heute genutzten Stromerzeugungsanlagen haben Biogaskraftwerke.

Leistung und Arbeit

Leistung ist Arbeit pro Zeit, also ist Arbeit Leistung mal Zeit. Veranschaulichen lässt sich das mit Geschwindigkeit und Strecke. Die Geschwindigkeit entspricht der Leistung und die Strecke der Arbeit. Fährt man eine Stunde mit einer Geschwindigkeit von 100 km/h, so hat man 100 km Strecke zurückgelegt. Wird eine Leistung von 100 kW über 2 Stunden erbracht, so beträgt die Energie bzw. Arbeit 200 kWh. Wurde für 200 km Strecke nur eine Stunde benötigt, so betrug die Geschwindigkeit 200 km/h. Wird dabei eine Energie von 120 kWh verbraucht, so betrug die Leistung 120 kW. Energie und Arbeit sind das Gleiche; die Begriffe werden nur in jeweils anderem Zusammenhang benutzt.

Alle technischen Anlagen müssen nicht nur für den Energiebedarf, sondern auch für den Leistungsbedarf ausgelegt und dimensioniert werden. Es sind stets zwei Größen zu berücksichtigen, was mitunter kompliziert ist.

Die Standard-Einheit für Energie ist das Joule (J). Mit der Energie von 1 J lassen sich ca. 100 Gramm Gewicht um 1 Meter anheben. Da 1 J extrem wenig ist, triff man in der Praxis eher kJ (Kilojoule), entsprechend 1000 J, MJ (Megajoule), entsprechend 1.000.000 Joule, GJ (Gigajoule), entsprechend 1.000.000.000 J (Milliarde), TJ (Terajoule) entsprechend 1 Billion Joule und PJ (Petajoule) entsprechend einer Billiarde Joule an.

Die Standard-Einheit für die Leistung ist Watt (W). 1 Watt bedeutet in einer Sekunde die Energie von 1 J zu erbringen. Obwohl auch das sehr wenig ist, gibt es z.B. für Batterien in elektronischen Geräten auch die Einheit mW (Milliwatt), das sind 0,001 W. Für energiewirtschaftliche Zwecke sind die größeren Einheiten wie kW (Kilowatt), also 1.000 W, MW (Megawatt), also 1.000.000 W, GW (Gigawatt), also 1.000.000.000 W und TW (Terawatt), also 1.000.000.000 kW von Bedeutung.

Wenn eine Leistung von 1 kW über einen Zeitraum von einer Stunde erbracht wird, beträgt die Energie in dem Zeitraum 1 kWh (Kilowattstunde). Wenn eine Glühbirne mit 100 W Leistung eine halbe Stunde leuchtet, sind 500 Wh=0,5 kWh elektrische Energie (Strom) verbraucht worden. Ein Stromverbraucher, der ganzjährig, durchgängig 0,5 W Leistung benötigt, verbraucht pro Jahr 4,38 kWh Strom, denn das normale Jahr hat 8.760 Stunden. Ein Kraftwerk, das 1.400 MW Leistung konstant über einen Zeitraum von 24 Stunden abgibt, erzeugt 33.600 MWh bzw. 33,6 GWh bzw. 33.600.000 kWh Strom.

Eine Kilowattstunde entspricht 3,6 MJ, weil eine Stunde 3.600 Sekunden hat. Umgekehrt entspricht 1 MJ Energie ungefähr 0,278 kWh. Für Leistungen wird bis heute auch die Einheit PS (Pferdestärken) verwendet. 1 kW sind ungefähr 1,36 PS; 1 PS sind ungefähr 0,735 kW.

Primärenergie und Sekundärenergie

Als Primärenergie wird die Energie bezeichnet, die wir so auf der Erde vorfinden. Als Sekundärenergie wird die Energie bezeichnet, die wir mit entsprechenden Anlagen aus der Primärenergie umwandeln. Die wichtigste Form von Sekundärenergie ist Strom bzw. elektrische Energie. Diese wird auf unterschiedlichen Wegen aus Primärenergieträgern gewonnen.

Ein anderer, künftig wichtiger Sekundärenergieträger ist Wasserstoff. Hierbei handelt es sich um eine chemische Energieform. Der Umstand, dass Wasserstoff gar kein Primärenergieträger ist, wird häufig übersehen. Streng genommen sind auch Kraftstoffe wie Benzin oder Diesel keine Primärenergieträger. Sie werden vielmehr in Raffinerien aus dem Primärenergieträger