Energie und Energiespeicherung auf der Erde

Übersicht

1. Einleitung
2. Was ist ‚Energie‘?
   2.1 Formen von Energie
   2.2 Formen der Energiegewinnung
3. Energiespeicherung
4. Lagerstätten auf der Erde
5. Beispielprojekte
6. Fazit
   Literaturverzeichnis

1. Einleitung

Leben auf der Erde und verschiedenste Prozesse funktionieren nur mit Energie. Bei der Beschreibung von physikalischen Prozessen ist die Energie ein unverzichtbarer Hauptbestandteil. Im 21. Jahrhundert nutzt der Mensch unterschiedliche Techniken zur Gewinnung, Speicherung und Verwendung von Energie. Im Folgenden wird daher grundsätzlich an das Thema Energie herangegangen, ihre Formen und Gewinnungsmöglichkeiten dargestellt und Beispielprojekte der heutigen Zeit aufgezeigt.

Inhaltlich wird mit der Abgrenzung und Definition des physikalischen Energiebegriffs begonnen. Daraufhin werden gewählte Energieformen und -träger beschrieben und anhand eines Beispiels erläutert. Als Nächstes werden Arten der Energiegewinnung erklärt. Des Weiteren wird ein Einblick in die zwei gängigsten Arten der Energiespeicherung gegeben. Als ein wichtiger Themenbereich des Oberthemas ‚Physik des Erdkörpers‘ werden Lagerstätten als Rohstoffvorkommen dargestellt und ihre Rolle in der Energiegewinnung offengelegt. Zusätzlich wird eine Technik der Rohstoffgewinnung aus Lagerstätten, das hydraulic fracturing näher beschrieben. Zum Ende der Arbeit werden kurz zwei aktuelle Projekte zum Thema Energie dargestellt und abschließend folgt ein Fazit.

2. Was ist ‚Energie‘?

Energie gilt als Zentralbegriff der Physik. Sie beschreibt „die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten“ (Niederhausen & Burkert 2014). Schon der universalgelehrte Aristoteles definierte sie als „[…] Wirkkraft, durch die Mögliches in Seiendes übergeht“ (Niederhausen & Burkert 2014). Sie tritt in verschiedenen Formen auf. Jedoch ist Energie als Solche nur schwer zu erfassen, da sie für den Menschen nicht greifbar ist (Petermann 2018). Heute gehört Energie zu den Grundbedürfnissen. Sie wird zur Nahrungszubereitung, Kommunikation, Technik, Industrie und Freizeit, alltäglich genutzt und somit ist ohne sie ein Leben nicht mehr vorzustellen (Zahoransky 2015).

2.1 Formen von Energie

Im 19. Jahrhundert etablierte der Physiker James Prescott Joule die Annahme, dass Energie nicht erzeugt, sondern nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden kann. Nach ihm ist auch die gängige Einheit, in der Energie gemessen wird, Joule [J] benannt.  Unabhängig von der Gestalt, welche die Energie annimmt, lässt sie sich immer in Joule quantifizieren (Petermann 2018). Dieser Annahme liegt der heutige Energie-erhaltungssatz nach Helmholtz aus dem Jahre 1847 zugrunde. „Energie kann weder erzeugt noch vernichtet, sondern ausschließlich nur in andere Energieformen umgewandelt, d. h. überführt werden“ (Niederhausen & Burkert 2014). Grundsätzlich lässt sich Energie in mechanische und elektrische Energie unterteilen. Hinzu kommen chemische, thermische und Kernenergie. Zur mechanischen Energie zählen kinetische und potenzielle Energien, während unter elektrische Energie, magnetische, elektromagnetische und Strahlungs-formen fallen (Zahoransky 2015). Ein Körper besitzt aufgrund seiner Lage in einem Kraftfeld, zum Beispiel dem Gravitationsfeld der Erde, potenzielle, oder auch Lageenergie. Kinetische Energie hingegen liegt meist mit einer Dreh- oder gradlinigen Bewegung vor (Schabbach & Wesselak 2012).

Des Weiteren lassen sich den Energieformen verschiedene Energieträger zuordnen. Energieträger beinhalten, wie der Name schon sagt, die Energie und machen sie transportabel (Petermann 2018). Das Prinzip hinter Energieform und Energieträger, lässt sich leicht am Beispiel eines benzinbetriebenen Motors erläutern. Hier ist das Benzin der Energieträger, welcher chemische Energie in sich trägt. Das Benzin wird verbrannt, wodurch Wärme entsteht aus welcher mechanische Energie gewonnen wird.

2.2 Formen der Energiegewinnung

Im Oberen Kapitel wurde bereits festgestellt, dass Energie nur durch Umwandlung aus vorhandenen Energieträgern gewonnen werden kann. Im Grunde ist zwischen fossilen, nuklearen und erneuerbaren Energieträgern zu unterscheiden (Schabbach & Wesselak 2012). Bevor die Energie beim Verbraucher ankommt, durchläuft sie je nach Form verschiedene Umwandlungsprozesse mit Hilfe von Energiewandlern. Beispielsweise wird in einem Kraftwerk aus einem Brennstoff gewonnene chemische Energie in thermische Energie umgewandelt und letztlich dann über einen Generator in elektrische Energie. Unter fossile Energieträger fallen Erdöl und -gas, sowie Stein- oder Braunkohle. Aus ihnen wird heute immer noch maßgeblich Wärme- und elektrische Energie gewonnen. Sie dienen als Energieträger hauptsächlich zum Transport und Mobilität. Vor der Energiewende spielten nukleare Energieträger eine sehr große Rolle. Hierbei wird Energie in Kernkraftwerken aus der Spaltung, oder Fusion von Atomen gewonnen, um thermische Energie freizusetzen und diese wiederum in elektrische Energie umzuwandeln (Schabbach & Wesselak 2012). Zur heutigen Zeit, besonders im Zuge des Klimawandels, kommen immer häufiger erneuerbare Energieträger zum Einsatz. Regenerative Energieträger stehen im Gegensatz zu fossilen und nuklearen Energieträgern, da sie sich im Laufe der Zeit von selbst erneuern. Die bedeutendste Rolle spielt hierbei die Solarstrahlung, da sie die meisten regenerativen Energieträger speist (Schabbach & Wesselak 2012).

Die Photovoltaik bezeichnet die direkte Umwandlung von solarer Strahlungsenergie in elektrische Energie über Solarzellen. Solarzellen bestehen aus Halbleitermaterialen und setzen bei Lichteinfall positive und negative Ladungsträger frei, welche dann in Form von Wärme weitergeleitet werden (Schabbach & Wesselak 2012).

3. Energiespeicherung

Der Bedarf an Energie ist abhängig von der Menge, einem Zeitpunkt und einem Ort, an dem sie gebraucht wird. Dies stimmt nicht immer mit der Verfügbarkeit überein und somit muss sie zwischengespeichert werden (Dehli 2019). Die bekannteste Speicherform von elektrischer Energie sind elektrochemische Speicher, wie zum Beispiel Batterien. Kommerziellen Nutzen finden hauptsächlich Speicherkraftwerke, welche „bereits produzierten Strom in mechanische potenzielle Energie einer Wassermasse umwandeln und bei Bedarf über eine Wasserturbine aus diesem Energiespeicher wieder elektrischen Strom produzieren.“ (Schabbach & Wesselak 2012). Eine sehr bekannte Form der Energiespeicherung sind Flüssigkeitspufferspeicher, wie zum Beispiel Heizkörper in Ein- oder Mehrfamilienhäusern. Hierbei erfährt der Speicherkörper beim Be- und Entladen eine Änderung in seiner Temperatur. Sie enthalten eine Speicherflüssigkeit, die bei Temperaturänderung Wärme aufnehmen und wieder abgeben kann. Meistens ist diese Flüssigkeit Wasser, da es eine hohe spezifische Wärmekapazität aufweist und somit vergleichsweise viel Wärme aufnehmen und speichern kann.

4. Lagerstätten auf der Erde

Lagerstätten sind Rohstoffvorkommen in der Erdkruste, welche sich über verschiedene Wege dort angelagert haben und mit wirtschaftlichem Nutzen abgebaut werden. Meist sind dies chemische Elemente, die nicht in reiner Form auftreten, sondern in Verbindung mit anderen Elementen in Form von Mineralien (Glaser et. Al. 2010). Sofern Metalle in den Gesteinen oder Mineralien enthalten sind, spricht man von Erzen. Diese Erzlagerstätten entstehen auf verschiedene Art und Weise. Während der Erstarrung einer Gesteins-schmelze kristallisieren sich verschiedene Mineralien aufgrund verschiedener Schmelzpunkte heraus. Hierbei sinken Schwermetalle wie Titan oder Nickel ab. Solche Vorkommen nennt man Erzlagerstätten. Deutschland beispielsweise hat ein sehr hohes Braunkohlekohlevorkommen. Kohlelagerstätten entstehen aus großen Anreicherungen fossiler Pflanzenreste. Das abgestorbene Material wird von Wasser und anderen Pflanzenresten bedeckt, wodurch es nicht mehr mit Sauerstoff versorgt wird und sich nicht vollständig zersetzt (Glaser et. Al. 2010). Dadurch entsteht Torf, welcher mit der Zeit absinkt und durch überlagerte Sedimente zerdrückt und entwässert wird. Dieser Druck führt zu einer Temperaturerhöhung und es kommt zu chemischen Prozessen, sodass sich Braunkohle bildet (Glaser et. Al. 2010). Zur Stromerzeugung wird die Jahresproduktion an Braunkohle weltweit zu 87% eingesetzt. In anderen Worten wird 16% des globalen Stromverbrauchs durch Braunkohle gedeckt (Stoll et. Al. 2009).

Weiterhin spielen Erdöl- und Erdgaslagerstätten eine große Rolle in der Energiegewinnung. Marine Organismen sind Grundvoraussetzung zur Entstehung von diesen Typen der Lagerstätten (Glaser et. Al. 2010). Hydraulic Fracturing oder auch Fracking bezeichnet das Aufbrechen von Schiefer-felsformationen mit geringer Durchlässigkeit mittels Zufuhr einer chemischen Flüssigkeit über ein vorher gebohrtes Loch, um so an Rohstoffe zu gelangen. Die Lagerstätten sind kohlenwasserstoffreich und der beim Aufbruch erhöhte Druck soll Gas oder Erdöl an die Oberfläche transportieren (Böcker et. Al. 2015). In Deutschland wird Fracking seit den 1960er Jahren eingesetzt. Eine verstärkte Nutzung ist in den letzten Jahren zu verzeichnen um konventionelle Erdgasvorkommen vollständiger zu Nutzen (Stober & Bucher 2020). Das Fracking-Verfahren bringt jedoch einige Risiken mit sich. Unter Anderem kann es zu Verunreinigungen im Grundwasser führen, da die die eingespeisten Flüssigkeiten verschiedene chemische Stoffe enthalten. 2017 sind mit den Rechtsänderungen im Wasserhaushaltsgesetz einige Einschränkungen und Verbote zum Thema Fracking entstanden. Unkonventionelle Lagerstätten dürfen nun bis 2021 nicht mehr benutzt werden. Bei konventionellen hingegen wurde eine Umweltverträglichkeitsprüfung eingeführt um mögliche Auswirkungen auf Flora, Fauna, Boden, Wasser, Luft, Klima und Landschaft vorab zu erkennen (Stober & Bucher 2020).

5. Beispielprojekte

Das erste Beispielprojekt sind die CO2 Leuchttürme der deutschen Energie-Agentur (dena). Bis 2030 soll die Industrie ihren Anteil am Endenergieverbrauch um 50% mindern. Das benötigt eine grundlegende Umstellung in Energiebezug, Energieumwandlung und Produktions-prozessen. Diese Umstellungen sind mit hohen Kosten und technischem know-how verbunden (dena 2020). Die Bundesregierung unterstützt diese Investitionen über Förderprogramme. Die dena steht 13 Unternehmen zur Seite bei der Beantragung der Fördermittel bis hin zur Umsetzung und Inbetriebnahme. Nach erfolgreichem Abschluss der Projekte dienen diese als Praxisbeispiele für andere Unternehmen (dena 2020).

Als zweites Beispielprojekt steht „power to gas“. In diesem Projekt steht die Erzeugung eines synthetischen Energieträgers im Fokus. Wasser wird mit Hilfe von Elektrolyse in Wasser- und Sauerstoff aufgespalten. Der Wasserstoff kann wiederum „direkt genutzt oder zu anderen gasförmigen oder flüssigen Energieträgern weiterverarbeitet werden […]“ (dena 2020).

6. Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Themenbereich Energie sehr umfangreich und vielfältig sein kann. Im Laufe der Zeit wurden viele Definitionen für den Begriff der Energie etabliert und überholt. Sie ist etwas allgegenwärtiges und essenziell Wichtiges für das gesamte Leben auf der Erde. Forschung im Bereich der Gewinnung, Nutzung sowie Speicherung sind vor Allem im Zuge des Klimawandels von großer Bedeutung. Energiegewinnungsformen wie das hydraulic fracturing sind zur heutigen Zeit sehr umstritten aufgrund ihrer negativen Nebeneffekte. Es gilt neue Wege der Erschließung von Lagerstätten zu finden, um so künftige Generationen zu schützen. Ebenso ist es wichtig mehr auf erneuerbare Energien zu setzen und bestehende Energiekonzepte zu überdenken. Die Beispielprojekte bieten dort einen guten Ansatz.

7. Literaturverzeichnis

Böcker, C., Kirchner, B., Weißenberg, P. (2015): Fracking – Die neue Produktionsgeografie. Wießbaden.

Dehli, M. (2020): Energieeffizienz in Industrie, Dienstleistung und Gewerbe. Energietechnische Optimierungskonzepte für Unternehmen. Esslingen. https://doi.org/10.1007/978-3-658-23204-7

Deutsche Energie-Agentur (2020): Leuchttürme CO2- Einsparung in der Industrie. https://www.dena.de/themen-projekte/projekte/energiesysteme/leuchttuerme-co2-einsparung-in-der-industrie/

Deutsche Energie-Agentur (2020): Power to Gas. https://www.powertogas.info/power-to-gas/die-technologie/

Glaser, R., Hauter, C., Faust, D., Glawion, R., Saurer, H., Schulte, A., Sudhaus, D. (2010): Physische Geographie kompakt. Freiburg. DOI 10.1007/978-3-662-50461-1

Neukirchen, F., Ries, G. (2016): Die Welt der Rohstoffe. Lagerstätten, Förderung und wirtschaftliche Aspekte. 2. Aufl. Berlin.

Niederhausen, H., Burkert, A. (2014): Elektrischer Strom. Gestehung, Übertragung, Verteilung, Speicherung und Nutzung elektrischer Energie im Kontext der Energiewende. DOI 10.1007/978-3-8348-2493-6

Osterhage, W. (2015): Die Energiewende: Potenziale bei der Energiegewinnung. Eine allgemeinverständliche Einführung. Heidelberg. DOI 10.1007/978-3-658-10245-6

Petermann, J. (2018): Erfolgreiches Energiemanagement im Betrieb. Lehrbuch für Energiemanager und Energiefachwirte.  https://doi.org/10.1007/978-3-658-22480-6

Schabbach, T., Wesselak, V. (2012): Energie. Die Zukunft wird erneuerbar. In: Technik im Fokus. DOI 10.1007/978-3-642-24347-9

Schaber, S., Mayinger, S. (2009): Thermodynamik. Grundlagen und technische Anwendungen. 18. Aufl. Band 1: Einstoffsysteme. Karlsruhe. DOI 10.1007/978-3-540-92895-9

Stoll, R., Niemann-Delius, C., Drebenstedt, C., Müllensiefen, K. (2009): Der Braunkohlentagebau. Bedeutung, Planung, Betrieb, Technik, Umwelt. 1. Aufl. Berlin Heidelberg.

Stober, I., Bucher, K. (2020): Geothermie. 3. Aufl. https://doi.org/10.1007/978-3-662-60940-8 Zahoransky, R. (2015): Energietechnik. Systeme zur Energieumwandlung. Kompaktwissen für Studium und Beruf. 7. Aufl. DOI 10.1007/978-3-658-07454-8

Abbildung 1: Graphical Abstract zum Thema „Energie und Energiespeicherung auf der Erde“ (eigene Darstellung)

Abbildung 2: Bayerische Landeskraftwerke (o.J.): Speicherkraftwerke. https://www.landeskraftwerke.bayern/speicherkraftwerk.htm

Abbildung 3 Umweltbundesamt (2018): Fracking. https://www.umweltbundesamt.de/themen/wasser/gewaesser/grundwasser/nutzung-belastungen/fracking