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.

Wandelbare Energie: Windkraftwerke erzeugen elektrischen Strom unter Ausnutzung der kinetischen 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.)

Der Begriff Energie wurde erst Mitte des 19. Jahrhunderts geprägt: Mit Energie wird die Fähigkeit eines Systems bezeichnet, eine Veränderung auszulösen. Oft wird auch die Umschreibung von der Fähigkeit, eine Arbeit zu leisten, gebraucht. Auch das ist richtig, wenn man "Arbeit" in einem weiten Sinn versteht: so wird auch dann eine "Arbeit" geleistet, wenn etwas oder jemand warm wird, weil es oder er/sie in der Sonne liegt. Überall dort, wo etwas passiert, fließt Energie, also auch immer dann, wenn etwas bewegt wird, etwas wächst, erwärmt oder gekühlt wird. Dabei kann Energie in den verschiedensten Formen vorkommen, siehe unten.

Wo die Energie herkommt, weiß niemand. Sie war kurz nach dem Urknall da, und seither ist sie geblieben: Energie kann weder erzeugt werden noch verloren gehen (Energieerhaltungssatz oder 1. Hauptsatz der Thermodynamik; 1918 hat Emmy Noether gezeigt, dass Energie eine Erhaltungsgröße ist und damit den Energieerhaltungssatz bewiesen). Aus diesem "Anfangskapital" des Universums 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).

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.

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

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

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