Das Zeitalter der Industrie

Hintergrundinformation

Energie und ihre Einheiten

Energie spielt eine wichtige Rolle bei vielen Diskussionen - etwa über den Klimawandel, die Nutzung der Atomenergie oder der Einsatz erneuerbarer Energiequellen. Immer wieder werden dabei die verschiedensten Einheiten verwendet, die die Autoren scheinbar selbst nicht verstehen, wie immer wieder offensichtlich falsche Angaben zeigen. Damit Sie nachvollziehen können, worüber geredet wird und Zahlenangaben selber nachrechnen können, hier eine kleine Einführung und ein Überblick über die wichtigsten Grundlagen.

Foto eines Windkraftwerks


Erneuerbare Energie: Windkraftwerke nutzen die kinetische Energie des Windes, die letztlich auf die elektromagnetische Strahlung der Sonne zurückgeht. Mehr dazu im Text. Foto: Christian Wagner, Aus Wikipedia, >> windenergy.jpg (abgerufen 22.4.2010), Lizenz: >> cc 2.5.

Was ist Energie eigentlich?

(Gleich zu den >> Einheiten, mit denen Energie gemessen wird.)

Was Energie genau ist, verstehen wahrscheinlich nur wenige Menschen genau: Erfunden wurde dieser Begriff von Physikern als abstrakte Größe, um Vorgänge zu erklären, etwa die Umwandlung von Lage- in Bewegungsenergie bei der Bewegung eines Pendels. In der modernen theoretischen Physik ist Energie die Erhaltungsgröße, die aus der Invarianz der Zeit folgt. Theoretisch nicht so umfassend, aber anschaulicher und für den praktischen Umgang ausreichend, ist die Definition von Energie als Fähigkeit, eine Arbeit zu leisten. "Arbeit" ist dabei in einem weiten Sinn als Aktivität zu verstehen, die zu einer Veränderung führt. Wenn beispielsweise etwas warm wird, und sei es nur, weil es in der Sonne liegt, steckt in diesem Sinne dennoch eine Arbeit dahinter: die Aktivität ist das Eintreffen von elektromagnetischer Strahlung von der Sonne, die davon ausgelöste Veränderung eine Temperaturerhöhung. Überall dort, wo etwas bewegt wird, etwa wächst, erwärmt oder gekühlt wird, spielt Energie eine Schüsselrolle (im Falle der oben beschriebenen Erwärmung thermische Energie - die verschiedenen Formen der Energie werden >> unten beschrieben).

Wo die Energie herkommt, weiß niemand: Energie kann weder erzeugt werden noch verloren gehen (>> Energieerhaltungssatz oder 1. Hauptsatz der Thermodynamik), so jedenfalls der Stand der heutigen Physik. Alle Energie war beim >> Urknall bereits da; sie war das "Anfangskapital" unseres Universums. Aus dieser Energie entstanden die vier Grundkräfte (70) und alle Materie - dass Materie und Energie ineinander umwandelbar sind, ist Albert Einsteins Entdeckung, sie steht hinter seiner berühmten Formel >> E = mc²: E steht für Energie, m für Masse. Kräfte wirken auf Materie ein und verändern deren Energie; alle Energie geht letztendlich auf die Einwirkungen der vier Grundkräfte auf die Materie zurück. Dass nicht nur Energie in Materie, sondern umgekehrt auch Materie in Energie umgewandelt werden kann, ist unser Glück, denn die thermische Energie aus dem Urknall hat sich infolge der Ausdehnung des Universums inzwischen auf -270,5 Grad Celsius abgekühlt; und nur die Fusionsprozesse in den Sternen wie unserer >> Sonne, bei denen Materie in Energie umgewandelt wird, lassen "warme Inseln" in diesem kalten Weltall entstehen. Auch auf der Erde geht fast alle Energie auf die Sonnenstrahlung zurück. Das gilt auch für fossile Brennstoffe, die aus urzeitlichen Lebewesen >> entstanden sind und daher nichts anderes als gespeicherte Sonnenenergie sind; oder für Wasserkraft und Windenergie - das Wasser, dass wir in Wasserkraftwerken nutzen, wurde beim >> Kreislauf des Wassers von der Sonne in die Höhe gehoben; >> Wind entsteht, wenn durch die Sonnenstrahlung verursachte Temperatur- und damit Dichteunterschiede in der Atmosphäre ausgeglichen werden.

Wenn Energie nicht verloren gehen kann, warum ist die Energieversorgung der Menschheit dann so ein komplexes Thema? Das liegt daran, dass Energie in verschiedenen Formen vorliegen kann, die ineinander umgewandelt werden können. Manche davon sind gut nutzbar, andere weniger oder gar nicht. Energie kann zwar im eigentlichen Sinne nicht verbraucht werden, aber nutzbare Energieformen können in nicht nutzbare Formen umgewandelt werden (und so muss "Energieverbrauch" verstanden werden: eine nutzbare Energieform wird in eine Form umgewandelt, die wir weniger gut oder gar nicht nutzen können. Die Nutzbarkeit von Energie ist eine wichtige, wenn nicht die zentrale Eigenschaft; sie wird auch Energiequalität genannt. Dazu gleich mehr, zuvor wollen wir aber ein Blick auf einige wichtige Energieformen werfen. Die wichtigste Unterscheidung ist die zwischen Bewegungsenergie (Physiker nennen diese “kinetische Energie) und gespeicherter Energie (“potenzielle Energie” - ein Beispiel wäre die in Benzin gespeicherte Energie). Diese kann man weiter unterteilen: Die potenzielle Energie im Benzin ist in chemischen Verbindungen gespeichert, weshalb sie auch als chemische Energie bezeichnet wird, ein fahrendes Auto stellt eine mechanische Energie dar (wie Unfallopfer leidvoll erfahren), die Abwärme aus dem Motor ist thermische Energie; und dass wir auch in Australien nicht von der Erde fallen, liegt an der gravitativen Energie. Beim >> Strom schließlich sprechen wir von elektrischer Energie. Ist elektrische Energie beispielsweise in einer Batterie gespeichert, handelt es sich um potenzielle Energie, sobald der Stromkreis geschlossen wird und ein Strom fließt, um kinetische Energie.

Was passiert also genau beim "Energieverbrauch"? Wenn wir in einem Verbrennungsmotor Benzin verbrennen (also die im Benzin gespeicherte chemische Energie in thermische Energie umwandeln), kann die thermische Energie dazu genutzt werden, mechanische Energie zu erzeugen (die Entdeckung, wie man Wärme in mechanische Arbeit umwandeln kann, war die Entdeckung, die zur >> Industriellen Revolution führte) - aber nicht ohne Verluste. Das ist wieder ein Naturgesetz, der >> 2. Hauptsatz der Thermodynamik: bei jeder Energieumwandlung müssen immer Verluste anfallen, eine verlustfreie Umwandlung ist nicht möglich. Nur ein Teil der im Benzin enthaltenen chemischen Energie kann also in Bewegungsenergie umgewandelt werden, ein anderer - und in der Praxis sogar der größere - Teil muss (in diesem Fall: als "Abwärme") verloren gehen. Mit anderen Worten: Die Qualität der Energie nimmt bei jeder Umwandlung ab (das ist eine andere Formulierung des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik). Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik eine andere Folge: nicht alle Umwandlungen von Energie kommen in der Natur vor. Wärme beispielsweise bewegt sich immer von einem warmen zu einem kalten Körper, niemals umgekehrt - wie wir alle wissen: ein Eis schmilzt an einem heißen Tag von allein, niemals aber gefriert ein geschmolzenes Eis an einem solchen Tag von allein. Wenn Energie von einem kalten zu einem warmen Körper fließen würde, nähme dessen Temperatur zu, und bei thermischer Energie bedeutet höhere Temperatur höhere Qualität - was nach dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik nicht vorkommt. Wenn wir trotzdem an einem heißen Tag ein Eis gefrieren lassen wollen, müssen wir andere Energieformen einsetzen (mit denen wir zum Beispiel einen Gefrierschrank betreiben); und wegen der Umwandlungsverluste kostet uns dies immer mehr Energie, als das spontane Auftauen; und auch die Energiequalität muss in der Summe abnehmen (die weniger allgemeinverständliche, aber physikalische richtige Formulierung lautet: die Entropie muss zunehmen - mehr dazu >> hier).

Die Qualität der Energie

Energiequalität bezeichnet den Nutzwert einer Energie. Elektrische Energie - Strom - ist beispielsweise ein sehr vielseitiger Energieträger: man kann mit Strom Licht erzeugen, Metalle schmelzen, Züge antreiben, Computer in Gang setzen und vieles mehr. Er besitzt entsprechend eine sehr hohe Energiequalität. Die Energiequalität kann man auch messen, das entsprechende Maß heißt Exergie. Man kann also den den 2. Hauptsatz der Thermodynamik auch so formulieren: Bei jeder Energieumwandlung nimmt die Exergie ab.

Wie kann es dann sein, dass wir hochwertige Energieformen wie Strom überhaupt herstellen können? Weil es - ähnlich wie bei dem oben dargestellten Gefrieren von Eis an einem heißen Sommertag - auf das >> Gesamtsystem ankommt: Wenn wir also aus fossilen Brennstoffen in einem Wärmekraftwerk elektrische Energie erzeugen - die eine höhere Energiequalität hat als die aus den Brennstoffen erzeugte thermische Energie -, so muss zum Ausgleich der Exergiebilanz auch eine entsprechende Menge Energie mit einer niedrigen Energiequalität anfallen - und das ist die im Kraftwerk entstehende Abwärme. Wie viel Abwärme aufgrund des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik auch bei bester Technik anfallen muss, hängt - das hat schon Sadi Carnot 1824 >> erkannt - von der Qualität der thermischen Energie ab - je höher die Arbeitstemperatur, desto geringer ist der Unterschied in der Energiequalität zwischen der thermischen  und der elektrischen Energie und desto höher kann entsprechend der Wirkungsgrad des Kraftwerks sein, weil weniger Abwärme zum Ausgleich der Bilanz entstehen muss. (Wie viel Abwärme wirklich entsteht, hängt in der Praxis dann noch davon ab, wie gut die Technik ist. Die besten Kraftwerke sind aber heute nahe am theoretisch möglichen Wirkungsgrad.)

Daher ist die Entstehung großer Mengen an Abwärme in Wärmekraftwerken grundsätzlich nicht vermeidbar. Aber die Energie enthält immer noch ein gewisses Maß an Exergie - ähnlich wie man die Abwärme eines Verbrennungsmotors im Auto zur Heizung des Innenraums nutzt, kann man die Abwärme als Fern- oder (besser noch) Nahwärme nutzten: für die Raumheizung oder Erzeugung von Warmwasser reicht auch die geringe Qualität der Abwärme aus.

Diese unvermeidlichen Verluste bedeuten auch, dass es eine Form von Verschwendung ist, Strom aus Wärmekraftwerken für Zwecke zu verwenden, für die auch Energieformen mit geringerer Energiequalität ausreichen, etwa für die Hausheizung. Es kommt immer auch darauf an, die Energiequalität der verwendeten Energieformen den Bedürfnissen anzupassen. Dabei hilft das Rechnen mit Exergie: Scheint zum Beispiel die Heizung mit Strom bei einer klassischen Betrachtung effizient (der Wirkungsgrad beträgt fast 100 Prozent, da man die Verluste im Kraftwerk nicht beachtet), beträgt der exergetische Wirkungsgrad gerade 7 Prozent. Aber auch die Verbrennung fossiler Brennstoffe oder von Biomasse zur reinen Wärmeerzeugung ist keine optimale Lösung, denn auch dabei wird die Exergie schlecht genutzt: Besser ist die Verbrennung zur Erzeugung von Strom und die Nutzung der dabei entstehenden Abwärme für Heizzwecke (siehe oben; das Verfahren heißt Kraft-Wärme-Koppelung). Wärme wird ansonsten am besten mit Energiequellen erzeugt, die “nur” dies können, etwa mit Sonnenkollektoren.

Wenn die Energiequalität (Exergie) unweigerlich bei jeder Energieumwandlung verloren geht - wie lange haben wir dann noch Energie ausreichender Qualität? Die  Erde ist kein isoliertes System: Durch die Sonnenstrahlung wird uns ständig hochwertige Energie zugeführt - jedes Jahr über >> 10.000-mal mehr Energie, als die Menschheit verbraucht. Energie haben wir also mehr als genug. Dass die Exergie nicht das letzte Wort hat, zeigt auch das Leben auf der Erde: Dies ist möglich, da auch Lebewesen kein isoliertes System sind - sie tauschen Energie und Materie mit ihrer Umgebung aus. Es ist die Sonnenenergie, die ständig hochwertige Energie nachliefert und mittels >> Fotosynthese die Entstehung komplexer Strukturen möglich macht, die sonst nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik nicht möglich wären. Auch die Erde selbst ist ein System, das Energie mit seiner Umwelt austauscht; auch die Erde nutzt Sonnenenergie, die etwa die >> Wasser- und Stoffkreisläufe antreibt. Selbst die fossilen Energieträger, die unsere >> industrielle Revolution angetrieben haben, sind nichts anderes als in der Vergangenheit >> gespeicherte Sonnenenergie. Diese Energiespeicher sind jedoch (wie auch die Vorräte spaltbaren Materials) endlich, und auch ohne Betrachtung der mit der Nutzung fossiler Brennstoffe oder der Atomenergie verbundenen Gefahren bedeutet der ständige Verlust an Energiequalität, dass es nur eine einzige dauerhafte Lösung für unsere Energiezukunft gibt: die direkte Nutzung der Sonnenenergie (>> Energiezukunft).

Was die Sonnenenergie von den fossilen Energieträgern der Industriellen Revolution unterscheidet, ist ihre geringere Energiedichte - wir brauchen daher für ihre Nutzung >> andere Technologien.

Grundbegriffe der technischen Energienutzung

Stoffe oder Energieformen, deren Energieinhalt für Umwandlungsprozesse genutzt werden kann, werden Energieträger genannt. Energieträger, die in der Natur zur Verfügung stehen, werden Primärenergieträger genannt; ihr Energieinhalt Primärenergie. Zu den wichtigsten Primärenergieträgern des Industriezeitalter gehören fossile Brennstoffe wie Kohle, Erdöl und Erdgas, Kernbrennstoffe wie Uran oder erneuerbare Energieträger wie solare Strahlungsenergie, Windenergie, Wasserkraft und Biomasse. Aus Primärenergieträgern können durch Umwandlung in der Energiewirtschaft Sekundärenergieträger erzeugt werden, die leichter transportier- oder nutzbar sind. Beispiele sind Stromerzeugung in Kraftwerken, Treibstoffherstellung in Raffinerien, Wasserstoffproduktion aus Windenergie. Ihr Energieinhalt ist die Sekundärenergie. Die nach dem Transport beim Verbraucher ankommende Energie wird Endenergie genannt.

In welchen Einheiten Energie gemessen wird

Die offizielle, international einheitliche SI-Einheit der Energie ist das Joule (nach dem britischen Physiker James Prescott Joule): Das ist die Energiemenge, die benötigt wird, für eine Sekunde eine Leistung von einem Watt zu erbringen (ein Joule entspricht daher einer Wattsekunde). Im menschlichen Maßstab ist das eher eine kleine Einheit: Ein ruhender Mensch hat einen Grundumsatz von etwa 55 - 90 Watt (je nach Gewicht und Geschlecht, wobei die Werte je nach Individuum um über 30 Prozent schwanken können). Diesen Wert kann man in die entsprechende Energie umrechnen (für das Rechenbeispiel gehen wir von einem mittlerem Wert von 75 Watt Grundumsatz aus):

  • 75 Watt über 24 Stunden (h) entsprechen einer Energie von 75 W x 24 h = 1.800 Wh oder 1,8 Kilowattstunden (kWh - Kilo steht wie in Kilogramm für 1.000)

  • 1 Stunde hat 3.600 Sekunden, 1 Wh sind also 3.600; 1 kWh 3.600 x 1.000 = 3.600.000 Joule; 1,8 kWh also 3.600.000 x 1,8 = 6.480.000 Joule. Eine Million wird mit Mega (M) abgekürzt, der Grundumsatz eines ruhenden Menschen entspricht also einer Energie von 6,48 MJ.

Ein Joule ist also eine sehr kleine Einheit, daher werden oftmals die vertrauteren Kilowattstunden verwendet, 1 Kilowattstunde sind, siehe oben, 3,6 Megajoule (1 kWh = 3,6 MJ). Kilowattstunden kennen Sie auch aus Ihrer Stromrechnung und können daher leicht einen Bezug zu ihrem eigenen Energieverbrauch herstellen.

Mega, Giga, Tera ...

Sie sehen weiter schon an diesem ersten Beispiel an Kilowattstunden und Megajoule, dass diese 1.000 oder 1.000.000 bedeutenden Vorsätze der Maßeinheiten beim Umgang mit Energie sehr nützlich sein können, daher zunächst einmal eine Übersicht:

Kilo (k) 1.000
Mega (M) 1.000.000
Giga (G) 1.000.000.000
Tera (T) 1.000.000.000.000
Peta (P) 1.000.000.000.000.000
Exa (E) 1.000.000.000.000.000.000

Auch diese “Vorsätze” stammen aus dem SI und sind international einheitlich, sie gelten für alle Einheiten. Wenn ein Windkraftwerk also 5 Megawatt (MW) leistet, sind dies 5 Millionen Watt. Wie viele elektrische Verbraucher mit 5 MW betrieben werden können, können Sie anhand der Angabe der Leistungsaufnahme, die bei elektrischen Verbrauchern vorgeschrieben ist, mit diesem Wissen selber ausrechnen: Beispielsweise 83.300 60-Watt-Glühbirnen oder über 500.000 10-Watt-LED-Lampen.

Der Energieumsatz eines Menschen

Um seinen Energiebedarf zu decken, braucht auch der Mensch einen Energieträger: Das ist unsere Nahrung. Nahrung ist in Form von chemischer Energie gespeicherte Sonnenstrahlung (siehe >> hier). Das Nahrung ein Brennstoff ist, weiß der Mensch schon lange, daher wird die Energie in der Nahrung oft noch in der alten Einheit “Kalorien” angegeben - das Wort stammt von lat. calor = Wärme; es ist die Menge an Energie, die gebraucht wird, um ein Gramm Wasser von 14,5 auf 15,5 Grad Celsius zu erwärmen. (Lästig an der Kalorie ist vor allem, dass bei Nahrungsmitteln oft Kalorie gesagt wird, wenn physikalisch eigentlich Kilokalorie gemeint ist; Aufschluss gibt nur das Kürzel: cal meint Kalorie im physikalischen Sinn, kcal Kilokalorie. Der Umrechnungsfaktor von Kalorie zu Joule ist: 1 J = 0,239 cal oder 1 kJ = 0,239 kcal - über den Daumen kann man also mit einem Verhältnis 4 zu 1 rechnen.) Wie viel Nahrungsenergie aber braucht ein Mensch? Zum “Grundumsatz” des ruhenden Menschen kommt noch ein von seiner Tätigkeit abhängiger “Leistungsumsatz” hinzu: Ein typischer “Schreibtischtäter” setzt am Tag insgesamt (Grundumsatz plus Leistungsumsatz) etwa 8 bis 9 MJ (etwa 2,5 kWh) um; ein körperlich schwer arbeitender Mensch 12 bis 15 MJ (etwa 3,5 bis 4 kWh). Ein “Schreibtischtäter” braucht für einen Umsatz von 8,5 MJ also etwa 2.000 kcal Energie aus der Nahrung am Tag; ein schwer arbeitender Mensch mit einem Umsatz von 15 MJ etwa 3.500 kcal.

Den Energiegehalt von Nahrungsmitteln können Sie heute auf der Packung lesen. Bei Pflanzen reicht er von etwa 1 MJ pro kg bei essbaren Blättern über 15 MJ/kg für Samenkörner (Getreide) bis zu 25 MJ/kg für Nüsse. Eier liegen bei 7 bis 8 MJ/kg, rotes Fleisch zwischen 5,5 und 23 MJ/kg. Besonders energiereich (und darum unbeliebt bei denen, die Diät halten) ist tierisches Fett: es liefert bis zu 39 MJ/kg. (Siehe auch: >> Eine kleine Geschichte des menschlichen Energieverbrauchs.)

Der Energiegehalt von Brennstoffen

Ähnlich energiehaltig wie Fett ist Rohöl: Ein Liter enthält 37 MJ. Mit dem Energiegehalt von einem Liter Rohöl könnte man einen schwer arbeitenden Menschen also mehr als zwei Tage lang “antreiben”. Den Energiegehalt der wichtigsten Brennstoffe gibt die folgende Tabelle an:

Rohöl
37 MJ/l = 10,3 kWh/l
Benzin 31 MJ/l = 8,6 kWh/l (Super, typischer Wert bei 15 °C)
Diesel 35,6 MJ/l = 9,9 kWh/l (typischer Wert bei 15 °C)
Erdgas 38 MJ/m³ (Dichte: 1,819 kg/m³) = 10,5 kWh/m³
Kohle 29,3 MJ/kg = 8,1 kWh/kg
Brennholz 15,8 MJ/kg = 4,4 kWh/kg
Wasserstoff 140 MJ/kg = 38,9 kWh/kg
Bioethanol 21,6 MJ/l = 6 kWh/l

Rechenbeispiele:

Ein Autofahrer in Deutschland fährt durchschnittlich 12.000 Kilometer im Jahr, sein Benzinverbrauch liegt bei 7,5 l/100 km. Er verbraucht also 915 Liter Benzin/Jahr = 2,51 Liter /Tag. Der mittlere Energiegehalt von Super liegt bei 8,6 kWh/l, der durchschnittliche Autofahrer verbraucht also 21,6 kWh/Tag* - etwa knapp 6 Mal soviel wie ein körperlich schwer arbeitender Mensch. Fährt er 20.000 Kilometer mit einem sparsameren Diesel (5 l /100 km), verbraucht er 1.000 Liter Diesel/Jahr = 2,74 Liter/Tag = 27,1 kWh/Tag* - oder knapp 8 Mal soviel wie ein schwer arbeitender Mensch.

*Dies ist nur der direkte Verbrauch. Da auch die Ölförderung, der Öltransport in die Raffinerie, die Herstellung von Benzin und dessen Verteilung an die Tankstellen Energie kosten, müssen diese Werte für eine vollständige Bilanz mit 1,4 multipliziert werden. Der durchschnittliche Autofahrer verbraucht bei Berücksichtigung des Energieaufwands der gesamten Erzeugungskette also 21,6 x 1,4 = 30,2 kWh/Tag, der Dieselfahrer 37,9 kWh/Tag - dazu kommt der Energieaufwand für die >> Herstellung des Autos (17,4 kWh/Tag, der Straßen etc.: ein durchschnittlicher Autofahrer verbraucht daher knapp 50 kWh/Tag. Da in Deutschland auf 82 Millionen Einwohner über 41 Millionen Autos kommen, beträgt alleine der Energieverbrauch für den Autoverkehr pro Einwohner etwa 25 kWh/Tag (bei einem >> Gesamtenergieverbrauch pro Einwohner von 131 kWh/Tag).

Die Nutzung fossiler Brennstoffe, auf der unsere Industriegesellschaft bis heute basiert (>> hier), hat jedoch derartige Ausmaße angenommen, dass wir insgesamt mit Einheiten wie Megajoule oder Kilowattstunden nicht mehr weit kommen. Der Primärenergieverbrauch der Menschheit beispielsweise betrug im Jahr 2010 545 EJ (>> hier)*. Was Exajoule sind, sehen Sie in der Tabelle oben - eine Milliarde Milliarden Joule. (Vorstellen können sich die meisten von uns dies genauso wenig, wie die 4,5 Milliarden Jahre, die die Erde alt ist.)

Tonnen Steinkohle- oder Erdöläquivalent

Bei den Exajoule gibt es aber Abhilfe: Sie werden in Tonnen Steinkohle- oder Erdöleinheiten umgerechnet. Dabei wird der Energiegehalt aller Brennstoffe mit dem verglichen, der in einer Tonne Kohle (also 29,3 GJ) oder Öl (hier ist die Umrechnung komplexer, denn Rohöl kann je nach Zusammensetzung eine Dichte von 0,8 bis 1 kg/l haben: gerechnet wird üblicherweise mit 41,9 GJ/Tonne, was einer Dichte von 0,883 kg/l entspricht). Beim Verbrauch gelangt man dann in den Bereich von Millionen Tonnen Steinkohle- (Abkürzung Mtce) oder Erdöläquivalent (Mtoe, siehe z.B. >> hier). Millionen kann man sich immerhin schon besser vorstellen als die Milliarden Milliarden, die sich hinter “Exa-” verbergen... Die Mengen sind aber immer noch gewaltig: Die 545 EJ globaler Energieverbrauch entsprechen 13.000 Millionen Tonnen Erdölaquivalent.

Terawattstunden

Damit aber noch nicht genug der Umrechnerei, denn es sind noch eine Reihe anderer Maßeinheiten gebräuchlich. Eine mögliche Basis ist die Kilowattstunde. Das Bundeswirtschaftsministerium gibt etwa in seiner Energiestatistik den deutschen Primärenergieverbrauch in Terawattstunden (TWh) an - er betrug im Jahr 2008 3.949 TWh (>> hier) oder je Einwohner 132 kWh/Tag. Eine Terawattstunde ist eine Milliarde Kilowattstunden (siehe Tabelle mit den Vorsätzen). Das bedeutet: - 1 kWh = 3,6 MJ - 1 TWh = 1 Milliarde kWh = 1 Milliarde x 3,6 MJ = 3,6 PJ - 3.645 TWh = 3,6 x 3.946 = 14.216 PJ = 14,216 EJ. Damit können Sie jetzt zum Beispiel ausrechnen, wie hoch der deutsche Anteil am Welt-Energieverbrauch ist: Er beträgt etwa 2,7 Prozent* des Welt-Energieverbrauchs (was wenig erscheinen könnte - aber wir stellen nur etwa 1,2 Prozent der Weltbevölkerung).

Barrel

Erdöl hingegen wird (siehe >> hier) zumeist in Barrel gemessen, ein Barrel sind 159 Liter. Das entspricht bei einer Dichte von 0,883 kg/l einem Gewicht von 140,4 kg, oder einem Energieinhalt von 5,88 GJ/Barrel. Der Weltölverbrauch betrug im Jahr 2005 3.896,8 Millionen Tonnen entsprechend 163.276 Millionen GJ = 163 EJ. Das sind ziemlich genau ein Drittel des gesamten Welt-Energieverbrauchs.

Zur Übersicht hier noch einmal eine Tabelle mit den wichtigsten Umrechnungsfaktoren:

1 Kalorie (cal) 4,187 Joule (J)
1 Kilowattstunde (kWh) 3,6 Megajoule (MJ)
1 Barrel Öl 5,88 Gigajoule (GJ)
1 Tonne Erdöläquivalent 41,9 Gigajoule (GJ)
1 Tonne Kohleäquivalent 29,3 Gigajoule (GJ)

Sonderfall erneuerbare Energie

Elektrischer Strom wurde in jüngerer Vergangenheit zum größten Teil in Wärmekraftwerken erzeugt, die fossile Brennstoffe verbrennen. Deren Energiegehalt ist bekannt. Aber wie soll man den Beitrag erneuerbarer Energiequellen, etwa eines Windrades, zum Primärenergieverbrauch berechnen? Hier gibt es zwei Methoden: Die international weit verbreitete und auch in der offiziellen deutschen Energiestatistik verwendete “Wirkungsgradmethode”, die davon ausgeht, das Wind-, Wasser- und Solarkraftwerke einen Wirkungsgrad von 100 Prozent besitzen. Das heißt, 1 kWh Strom aus Wind, Wasser oder Sonne entsprechen auch einem Primärenergiebedarf von 1 kWh. Damit werden aber eine Kilowattstunde Sonnenstrom einer entsprechenden Primärenergie in fossilen Brennstoffen gleichgesetzt. Aus dieser werden aber, aufgrund der prinzipbedingten Verluste in Wärmekraftwerken (>> hier) nur durchschnittlich 38 % in Elektrizität umgewandelt, also 0,38 kWh Strom erzeugt. Die Anhänger der “Substitutionsmethode” weisen darauf hin, dass hiermit der Beitrag erneuerbarer Energieträger zur Energieversorgung systematisch unterschätzt wird, erneuerbare Energieträger müssten mit der durch sie ersetzten (“substituierten”, daher der Name der Methode) Menge an fossilen Brennstoffen in die Berechnung einfließen, und da 1 kWh Strom aus erneuerbaren Energieträgern 2,63 kWh Energie aus fossilen Energieträgern entspricht, sei dies der richtige Wert. Dieser Ansatz wird zum Beispiel vom Wissenschaftlichen Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen vertreten.

Je nach verwendeter Methode kommt man zu sehr unterschiedlichen Aussagen: Im Jahr 2005 lieferte die Atomenergie weltweit 2.770 TWh Strom, die Wasserkraft 2.934 TWh, also etwa mehr. Nach der Wirkungsgradmethode betrug der Primärenergiebeitrag der Atomenergie aber 30,2 EJ, der der Wasserkraft nur 10,5 EJ. So kann man erneuerbare Energieträger auch kleinrechnen! Auch die Gesamtangaben zum Primärenergieverbrauch unterscheiden sich bei beiden Methoden.

* Daher ist übrigens auch die obige Berechnung zum deutschen Anteil am Weltenergieverbrauch nicht ganz genau: Die deutsche Statistik wurde mit der Wirkungsgradmethode gerechnet, die weltweiten Angaben aus der BP-Weltenergiestatistik mit der Substitutionsmethode. Bei Verwendung der gleichen Methode läge der deutsche Wert höher und unser Anteil könnte auch 2,8 Prozent betragen. Der Unterschied wird umso größer, je mehr erneuerbare Energien ein Land nutzt. Merke: Man muss auch bei Energiestatistiken genau hinschauen, wie gerechnet wurde. Die in der “Kleinen Geschichte des menschlichen Energieverbrauchs” auf diesen Seiten (>> hier) verwendete Abbildung beruht auf Berechnungen nach der Substitutionsmethode, wie schon der Vergleich zwischen Atom- und Wasserkraft zeigt.

Mehr zum Thema Energie auf diesen Seiten:
>> Die Geschichte der Erforschung der Energie
>> Eine kleine Geschichte des menschlichen Energieverbrauchs
>> Eine kleine Geschichte des Erdöls
>> Das Ende des billigen Öls
>> Eine kleine Geschichte der Atomenergie
>> Energiewende

Webtipps

>> Grundlagen auf der Seite >> “Regenerative Zukunft

 Strategien für die Zukunft:
>> Saubere Energie

Zurück zu:
>> Energie

© Jürgen Paeger 2006 - 2014

Siehe auch: >> Eine kleine Geschichte der Erforschung der Energie.

Und aktuell:
>> Energiewende

Mehr zum Energiehaushalt der Erde: >> Die Erde als globales Ökosystem.

Da Energie nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik nicht verloren gehen kann, wäre es richtiger, statt von "Verbrauch" von Entwertung von Energie reden. Da das Wort Energieverbrauch aber weit verbreitet ist, wird es auch auf diesen Seiten verwendet. Siehe auch (71).

Das Gegenstück zur Exergie ist die Anergie: Exergie ist der Teil der Energie, der Arbeit verrichten kann, Anergie ist der nicht arbeitsfähige Anteil. Im Unterschied zu Energie kann Exergie verloren gehen: bei einer Energieumwandlung wird Exergie in Anergie umgewandelt.

Wie wird eigentlich Strom in Kraftwerken erzeugt? Das Prinzip ist >> hier erklärt.

Watt - nach James Watt (>> mehr) - ist die Einheit von Leistung; Leistung die pro Zeiteinheit geleistete Arbeit. 1 Watt = 1 Joule / Sekunde. Für größere Leistungen wird oft auch kWh / Tag verwendet.

Eine ältere Einheit für Leistung war die Pferdestärke: 1 PS = 735,5 Watt.