Unterschiedliche Energieformen, erneuerbare Energien und die Bedeutung der chemischen Energie

Ohne Energie könnte der Mensch die heutige Vielzahl der modernen und technischen Möglichkeiten nicht nutzen. Es gibt unterschiedliche Energieformen, zu denen auch die erneuerbaren Energien zählen. Diese wiederum lassen sich einteilen in Sonnenenergie, Windenergie, Wasserkraft und Geothermie (Erdwärme). Lesen Sie über das Funktionsprinzip erneuerbarer Energiequellen und informieren Sie sich über die Rolle der chemischen Energie.

Von der Sonnenenergie bis zur Windenergie - wir informieren über das Funktionsprinzip erneuerbarer Energiequellen - welche Rolle spielt dabei die chemische Energie?

Formen von Energie

Damit der Mensch in der modernen technisierten Welt leben kann, benötigt er verschiedene Formen von Energie. Als wichtigste Energiequelle der Erde gilt die Sonne. Durch sie werden zahlreiche unterschiedliche Energieträger wie der Wasserkreislauf, die Meeresströmungen, der Wind sowie Biomasse angetrieben.

Weitere bedeutende Energiequellen sind die Gravitationskraft des Planeten sowie die Kernenergie. Unterschieden wird zwischen fossilen Energien, die nicht erneuerbar sind, und erneuerbaren Energien.

  • Zu den wichtigsten fossilen Energiequellen gehören Erdöl, Kohle, Erdgas, Uran und Plutonium.
  • Erneuerbare oder regenerative Energiequellen sind die Sonne, das Wasser, der Wind, Erdwärme sowie Rohstoffe, die nachwachsen.

Fossile Energien haben den Nachteil, dass es sie im Gegensatz zu den erneuerbaren Energien nur in begrenztem Maß auf diesem Planeten gibt. Darüber hinaus kommt es durch ihre Anwendung zu Emissionen von CO2, das von Wissenschaftlern für den Treibhauseffekt und den Klimawandel verantwortlich gemacht wird. Um elektrischen Strom zu gewinnen, greift man auf verschiedene Einrichtungen zurück.

Kernkraftwerke (Atomkraftwerke)

Bei einem Kernkraftwerk, oder auch Atomkraftwerk, handelt es sich um ein Wärmekraftwerk, welches dazu dient, elektrische Energie aus Kernenergie zu gewinnen. Dies ist mithilfe von kontrollierter Kernspaltung möglich.

Hierbei werden schwere Atomkerne gespalten, was zu einer Freisetzung von Energie führt, basierend darauf, dass die Energie, die in den Spaltprodukten vorherrscht, größer ist als die im Kern. Die Spaltprodukte werden abgebremst, wodurch Wärme entsteht. Mit dieser wiederum lässt sich Wasserdampf erzeugen.

Handelt es sich um große Kernkraftwerke, sind diese in mehrere Blöcke unterteilt, welche jeweils die Erzeugung von Strom zur Aufgabe haben. Dabei enthält jeder Block einen Kernkraktor.

Dieser wiederum bildet das Herzstück jedes Kraftwerks. Sein Kern besteht aus Brennelementen; hierin findet die Freisetzung der Kernenergie und deren Umwandlung in Wärme. Diese Wärme nutzt man, um ein Kühlmittel zu erhitzen, welches für den Abtransport der Energie aus dem Reaktor sorgt.

Bei der Arbeit eines Kernkraftwerkes gelten die allgemeinen Unfallrisiken, die thermische Großkraftwerke mit sich bringen. Hinzu kommen Faktoren, die die Kernenergienutzung betreffen. Hierzu zählt vor allen DIngen die Radioaktivität der Spaltprodukte. Des Weiteren können Kernkraftwerke Teil von Kernwaffenprogrammen werden.

Somit waren Kernkraftwerke schon immer heftig umstritten. Seit der Fukushima-Katastrophe gelten die Atomkraftwerke nicht mehr als sicher, sodass zahlreiche Menschen ihre endgültige Abschaffung fordern, die zumindest in Deutschland bereits beschlossen wurde. Atomkraftbefürworter befürchten ohne die Atomkraft jedoch Engpässe bei der Stromversorgung.

Um Störfälle zu verhindern, sind hohe Qualitätsanforderungen an ein Atomkraftwerk nötig. Ein großes Problem ist auch die Entsorgung des radioaktiven Abfalls.

Kohlekraftwerke

Kohlekraftwerke dienen zur Verarbeitung von Kohle, die zu den fossilen Energien gehört. Kohle hat den Vorteil, dass sie ein heimischer Energieträger ist, wodurch die Importabhängigkeit reduziert wird.

Das Kohlekraftwerk wird zu den Dampfkraftwerken gezählt; Kohle dient als hauptsächlicher Brennstoff. Man unterscheidet Kraftwerke für Steinkohle sowie für Braunkohle. Diese weisen in Sachen Heizwerk, Verfahrenstechnik sowie Ascheanteile andere Merkmale auf.

Deutschlandweit wird mit Braunkohle-Kraftwerken Strom für die Grundlast und mit Steinkohle-Kraftwerken Strom für die Mittellast erzeugt. Die elektrische Leistung eines einzelnen Kraftwerksblock liegt dabei bei bis zu 1.000 Megawatt.

Allerdings gibt es Kohle nur in begrenztem Maße. Außerdem kommt es durch ihre Verbrennung zu hohen CO2-Emissionen.

Die Funktionsweise eines Kohlekraftwerks lässt sich wie folgt beschreiben:

  1. Die Kohle wird mithilfe von Kohleförderbandanlagen zum Bunkerschwerbau transportiert und auf ihrem Weg von Fremdkörpern befreit sowie zerkleinert.
  2. Die Zuteiler-Förderbänder verteilen sie auf mehrere Kohlemühlen, wo die Kohle schließlich gemahlen, getrocknet und verbrannt.
  3. Die dadurch entstandene Hitze wird in einem Wasserrohrkessel aufgenommen und genutzt, um eingespeistes Wasser in Wasserdampf umzuwandeln.
  4. Dieser Wasserdampf gelangt zur Dampfturbine, wo ein Teil seiner Energie abgegeben wird; der Großteil überträgt er jedoch in einem Kondensator an das Kühlwasser - durch Kondensation verflüssigt sich der Dampf.
  5. Das erzeugte Wasser - das Speisewasser - wird durch eine Speisewasserpumpe wieder in den Wasserrohrkessel befördert, sodass sich der Kreislauf schließt.
  6. Das Speisewasser wird vorgewärmt; dies gelingt durch die Rauchgase, welche im Brennraum entstehen.
  7. Bevor das Gas das Kraftwerk verlässt, wird es einer Rauchgasreinigung unterzogen und dabei entstaubt, entschwefelt und entstickt.
  8. Das erwärmte Wasser wird wieder auf seine ursprüngliche Temperatur heruntergekühlt und kann dann erneut verwendet werden oder abfließen.
  9. Die Brennstoff-Asche kann weiterverwendet werden; dazu zieht man sie als Schlacke aus dem Brennerraum.

Erdöl und Erdgas

Erdöl wird genutzt, um Strom in Dampfkraftwerken zu erzeugen; zudem dient es als Ursprungsstoff für Treibstoffe und wird in der chemischen Industrie sowie in Ölheizungen verwendet. Zu den Hauptbestandteilen zählen Kohlenwasserstoffe.

Die Menge an Erdöl als fossiler Energieträger ist begrenzt. In der chemischen Industrie hat es einen größeren Wert als Kohle und hat dabei eine geringere CO2-Emission zur Folge.

Allerdings werden die Schadstoffemissionen als relativ stark angesehen. Die Umwelt wird belastet und ebenfalls problematisch ist die Tatsache, dass es zu Versorgungsengpässen kommen kann.

Erdgas entsteht änlich wie Erdöl und tritt daher häufig zusammen mit diesem auf. Es besteht in erster Linie aus Methan und wird zum Heizen, zur Stromerzeugung mit Gasturbinen sowie als Pkw-Treibstoff genutzt. Auch in der chemischen Industrie findet es als Ursprungsstoff für Synthesegas Verwendung.

Verglichen mit Erdöl und Kohle ist Erdgas von weniger Verunreingungen betroffen - es entstehen bei der Verbrennung weniger Schadstoffe, sodass es als umweltfreundlicher angesehen wird. Als nachteilig wird der Treibhauseffekt angesehen, der aufgrund der Tatsache, dass das in Erdgas enthaltene Methan unverbrannt ein effektives Treibhausgas darstellt, gefördert wird.

Definition: Erneuerbare Energien

Bei erneuerbaren Energien, die man auch als regenerative Energien bezeichnet, handelt es sich um Energien, die aus Quellen stammen, die durch ihre Nutzung nicht erschöpft werden oder in der Lage sind, sich selbst zu erneuern. Dazu zählen unter anderem Sonnenenergie, Windenergie, Wasserkraft und Geothermie (Erdwärme).

Bislang setzte man vor allem auf die konventionelle Erzeugung von Energie. Dabei handelt es sich um fossile Brennstoffe wie Öl, Erdgas, Braunkohle und Steinkohle. Hinzu kommen noch die atomaren Energiequellen, sodass diese Form von Energieerzeugung bis heute rund 80 Prozent beträgt.

Der Unterschied zwischen konventionellen Energien und erneuerbaren Energien besteht darin, dass die erneuerbaren Energien unbegrenzt zur Verfügung stehen, da sie nicht verbraucht werden. Bislang liegt der Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung hierzulande jedoch nur bei 18 Prozent, da nicht alle Methoden rentabel sind. Man unterscheidet zwischen verschiedenen Arten von erneuerbaren Energien.

In der Sonne kommt es durch die Kernfusion zur Freisetzung von großen Energiemengen. Diese erreichen die Erde in Form von Solarstrahlung. In Strom umwandeln lässt sich die Sonnenenergie durch Photovoltaikanlagen, thermische Sonnenanlagen und solarthermische Kraftwerke.

Die Verwendung von Solarenergie hat den Vorteil, dass sich keine Treibhausgase bilden. Ein Nachteil ist allerdings, dass die Energiegewinnung stark vom Wetter abhängt.

Unter Geothermie versteht man Erdwärme. Dabei wird Wärme zur Energieerzeugung verwendet, die sich in der Erde befindet. Man setzt die Geothermie vor allem zur Stromerzeugung und zur Wärmeversorgung ein. So lassen sich Privathaushalte mithilfe von Wärmepumpen umweltschonend beheizen.

Wind wird von den Menschen bereits seit dem Altertum für technische Zwecke genutzt. Durch die Bewegungsenergie des Windes setzen sich die Windanlagen in Bewegung, wodurch es zur Erzeugung von Strom kommt.

Das Verfahren ist technisch schon weit entwickelt und gilt als umweltfreundlich. Allerdings ist es wetterabhängig.

Auch die Wasserkraft gewinnt man aus Bewegung. Derzeit liegt der weltweite Anteil der Wasserkraftwerke an der Stromproduktion bei 16 Prozent. Da es nicht zum Ausstoß von CO2 kommt, wird diese Art der Energiegewinnung als umweltfreundlich eingestuft.

Unter Bioenergie versteht man die Erzeugung von Energie durch Biomasse. Bei Biomasse handelt es sich um organisches Material, das jedoch nicht fossil ist. Ein Nachteil ist, dass Biomasse große Anbauflächen in Anspruch nimmt und CO2 ausstoßen kann.

Im Folgenden gehen wir etwas genauer auf die unterschiedlichen Arten der erneuerbaren Energie ein.

Solarenergie

Unter Solarenergie oder Sonnenenergie versteht man die Energie der Sonnenstrahlung. Diese elektromagnetische Strahlung entsteht auf der Oberfläche der Sonne bei Temperaturen von rund 5.500 Grad Celsius als Schwarzkörperstrahlung.

Die Sonne stellt gewissermaßen ein Kraftwerk dar, welches permanent Energie erzeugt. Im Rahmen der Kernfusion kommt es zum Verschmelzen von Wasserstoffkernen zu Helium, wobei gewaltige Mengen an Energie freigesetzt werden. Ein Teil dieser Energie erreicht auch unseren Planeten und lässt sich sinnvoll nutzen.

Solartechnik

Eine wichtige Rolle spielt dabei die Solartechnik, die die Sonnenenergie direkt nutzt. So gibt es

  • Sonnenkollektoren zur Gewinnung von Wärme (Solarthermie)
  • Solarzellen, von denen elektrischer Gleichstrom erzeugt wird (Photovoltaik), sowie
  • Sonnenkraftwerke, die mit Wärme und Wasserdampf Strom erzeugen.

Darüber hinaus bestehen indirekte Nutzungsmöglichkeiten wie

  • die Verarbeitung von Pflanzen und pflanzlichen Abfällen in Biogas
  • das Betreiben von Wind- und Wasserkraftwerken zur Stromerzeugung und
  • die Nutzung von passiver Sonnenenergie zum Aufwärmen von Häusern.

Solarthermie

Als Solarthermie wird das Umwandeln von Solarenergie in thermische Energie, die sich nutzbar machen lässt, bezeichnet. Die Sonnenstrahlung, die im weltweiten Durchschnitt täglich auf die Erde auftrifft, liegt bei ca. 165 W/m².

Zur Nutzung dieser natürlichen Energiequelle kommt u.a. die Solarthermie zur Anwendung. Dabei werden Sonnenkollektoren eingesetzt.

Erste solarthermische Anwendungen setzten die Menschen bereits in der Antike ein. So verwendeten sie Brennspiegel oder Hohlspiegel, um Lichtstrahlen zu fokussieren. Die Vorgänger der heutigen Sonnenkollektoren entstanden im 18. Jahrhundert.

Das erste Patent auf der Welt für eine Solaranlage erhielt der amerikanische Metallfabrikant Clarence M. Kemp. Dieser verwendete einen simplen Wärmekollektor für warmes Wasser.

Funktionsprinzip von Sonnenkollektoren

Bei der Nutzung von thermischen Sonnenkollektoren wird die Strahlung der Sonne mit hoher Effektivität in Wärmeenergie umgesetzt. So lassen sich in den Sommermonaten in Mitteleuropa ca. 1000 W/m² liefern.

Ein Nachteil der Sonnenkollektoren ist allerdings, dass sie in den Wintermonaten weitaus weniger Energie zur Verfügung stellen. Doch gerade in der kalten Jahreszeit ist der Energiebedarf besonders hoch.

Um Solarenergie zur Erwärmung von Wasser nutzen zu können, werden mehrere Quadratmeter Fläche benötigt. In der Regel montiert man Sonnenkollektoren auf dem Hausdach.

Bei den Kollektoren handelt es sich um flache Gebilde, die die Eigenschaft haben, die Strahlung der Sonne zu absorbieren. Durchzogen wird der Absorber von Rohrleitungen.

Die aufgefangene Sonnenergie sorgt für das Beheizen des Mediums, das durch die Rohrleitung fließt. Nutzen lässt sich die Sonnenenergie für das Erwärmen von Heizungswasser oder Brauchwasser.

Thermische Sonnenkollektoren gibt es in den verschiedensten Bauformen. Dazu gehören u.a.

  • Flachkollektoren
  • Vakuumröhrenkollektoren
  • Parabolrinnenkollektoren und
  • Solartürme.

Unterschiede bestehen bei den verwendeten Materialien, der Dämmung des Absorbers sowie im Preis.

Thermische Solarkraftwerke

Deutlich umfangreicher als Sonnenkollektoren sind thermische Solarkraftwerke, auch Sonnenkraftwerke oder Solarwärmekraftwerke genannt. Je nach Bauart können sie größere Wirkungsgrade als Photovoltaikanlagen erreichen.

Durch die Solarkraftwerke wird die Lichteinstrahlung auf einen Absorber gebündelt, in dem sehr hohe Temperaturen entstehen. Durch ein nachgeschaltetes Wärmekraftwerk lässt sich die Wärme in elektrischen Strom umwandeln. Je nach Kapazität sind thermische Solarkraftwerke in der Lage, ganze Regionen umweltfreundlich zu versorgen.

Photovoltaikanlagen

Photovoltaikanlagen sind Solaranlagen, die Sonnenstrahlen direkt in Strom umwandeln. Dies kann zum Beispiel mithilfe von Solarzellen geschehen. Photovoltaikanlagen gelten als besonders gut geeignet für eine dezentrale, private Stromerzeugung.

Zusammengesetzt werden diese Solaranlagen aus zahlreichen Solarzellen, die miteinander verkoppelt sind. Über Halbleiterschichten lassen sich die Sonnenstrahlen in den Solarzellen in elektrischen Strom umwandeln.

Es besteht die Möglichkeit, den Strom entweder unmittelbar zu nutzen oder ihn in Solarbatterien zu speichern. Auch eine Einspeisung in das öffentliche Stromnetz ist möglich.

Je nach Bedarf gibt es bei Photovoltaikanlagen die verschiedensten Formen und Ausstattungen. Manche Anlagentypen lassen sich auch miteinander kombinieren. Wie hoch der Energieertrag ausfällt, hängt von bestimmten Faktoren ab, wie der Ausrichtung der Anlage zur Sonne und den Wetterbedingungen.

Bioenergie

Bei Bioenergie handelt es sich um Energie, die man aus Biomasse gewinnt. Sie beinhaltet unterschiedliche Energieformen wie

  • elektrische Energie
  • Wärme oder
  • Kraftstoff für Verbrennungsmotoren.

Als Hauptquellen der Bioenergie dienen nachwachsende Rohstoffe. Dazu gehören neben Holz als Festbrennstoff auch unterschiedliche organische Stoffe sowie landwirtschaftliche Erzeugnisse.

Die Grundlage der Bioenergie wird von der Sonnenenergie gebildet. So lässt sich die Energie der Sonne von Pflanzen mittels Photosynthese in Biomasse chemisch binden. Je nachdem, von welcher Art die Biomasse ist, finden bestimmte Aufbereitungsverfahren statt.

Biodiesel

Zur Bioenergie zählt u.a. Biodiesel, auch Agrodiesel genannt. Dieser Kraftstoff kommt in seiner Verwendung dem mineralischen Dieselkraftstoff nahe. Gewonnen wird Biodiesel von der Chemieindustrie durch das Umnestern von tierischen oder pflanzlichen Ölen und Fetten mit Methanol.

Da Biodiesel sich mit Petrodiesel in jedem Verhältnis mischen lässt, ist es in zahlreichen Ländern üblich, ihn als Blendkomponente für konventionellen Diesel zu benutzen. In Deutschland mischt man seit 2009 bis zu sieben Prozent Biodiesel herkömmlichem Diesel bei. Nach dem Rückgang der steuerlichen Förderung von Biodiesel kam es hierzulande zu einem beträchtlichen Absinken des Biodiesel-Absatzes.

Vorteile

Ein Vorteil von Biodiesel gegenüber mineralischem Diesel ist, dass er weniger schädliche Emissionen aufweist. Außerdem lässt er sich aus nachwachsenden Rohstoffen gewinnen, besitzt gute Schmiereigenschaften und ist biologisch abbaubar.

Zur Anwendung kommt er vor allem im Verkehrssektor. Prinzipiell lässt sich Biodiesel aber auch als Bioheizöl verwenden.

Biowasserstoff

Ebenfalls zur Bioenergie zählt Biowasserstoff. Darunter versteht man aus Biomasse oder mit Biomasse hergestellten Wasserstoff (H2).

Bei Wasserstoff handelt es sich um ein energiereiches Gas, welches sich beispielsweise als Treibstoff in Verbrennungsmotoren oder in Brennstoffzellen zur Erzeugung von Strom verwenden lässt. Aus wirtschaftlicher Sicht ist die energetische Nutzung von Wasserstoff jedoch noch sehr gering ausgeprägt.

Herstellung

Um Wasserstoff herzustellen, wird Energie benötigt. Bei Biowasserstoff stammt diese entweder aus der Solarenergie, deren Absorbierung von lebender Biomasse im Rahmen der Photosynthese erfolgt, oder von Biomasse, die man als Rohstoff verwendet.

Eine wichtige Rolle spielt auch das Element Wasserstoff, das der als Rohstoff benutzten Biomasse entstammt. Es kann aber auch als Wasserbestandteil dem Erzeugungsprozess zugeführt werden.

Die Herstellung von Wasserstoff aus Biomasse erfolgt durch biologische und chemische Vorgänge wie Gärung oder thermochemische Verarbeitung. Bei der thermochemischen Verarbeitung wird der Biowasserstoff aus Biomasse wie Stroh, Gras oder Holz oder aus sonstigen Bioenergieträgern wie Bioethanol oder Biogas gewonnen.

Vor- und Nachteile der Bioenergie

Zu den größten Vorteilen der Bioenergie gehört ihre Erneuerbarkeit. So lassen sich Vorkommen von fossilen Energieträgern schonen.

Außerdem sollen sie dabei helfen, Treibhausgas-Emissionen zu verringern. Auch die Ökobilanz der Bioenergie gilt als positiv.

Ein Nachteil ist jedoch der benötigte erhebliche Flächenbedarf für den Anbau der benötigten Rohstoffe. So besteht die Gefahr, dass deswegen der Anbau von Nahrungs- und Futtermitteln darunter leidet, was wiederum die Lebensmittelpreise ansteigen lässt.

Wasserkraft

Ein wichtiger Bestandteil der erneuerbaren Energien ist die Wasserkraft (Hydroenergie). Dabei wird die kinetische und potentielle Energie des Wassers mithilfe von Turbinen in Rotationsenergie umgewandelt. In der heutigen Zeit gewinnt man diese Energie vor allem durch Generatoren in Wasserkraftwerken.

Funktionsprinzip

Nutzen lässt sich die Wasserkraft durch die potentielle Energie des Wassers. Zur Umwandlung der potentiellen Energie in Wärme und kinetische Energie kommt es beim Herabfließen des Wassers durch Reibung am Untergrund. Über den Wasserkreislauf dringt das Wasser in Lagen vor, aus denen es herunterfließen kann, was wiederum seine Nutzung durch den Menschen möglich macht.

Staudämme

Als Staudämme oder Absperrbauwerke werden Anlagen bezeichnet, die zur Aufstauung von fließenden Gewässern dienen, um Wasser zu speichern. Ein Staudamm ist aber nur Teil einer Stauanlage, die neben einer Talsperre auch aus einem Staubecken oder einem Stausee besteht.

Durch die Talsperre wird ein Fließgewässer innerhalb eines Tals zu einem Stausee aufgestaut. Auf diese Weise lässt sich in einem Wasserkraftwerk Energie erzeugen. Meist befinden sich die Stauanlagen direkt neben dem Gewässer oder in ihm.

Weltweit gibt es etwa 45.000 große Staudämme. Durch die Energie, die mit der Wasserkraft gewonnen wird, lässt sich ca. ein Fünftel des weltweiten Stromverbrauchs abdecken. Zudem wird von den Staudämmen Wasser für 30 bis 40 Prozent aller landwirtschaftlichen Flächen geliefert.

In den Stauanlagen fällt das Wasser auf Turbinen, bei denen es sich um moderne Wasserräder handelt. Diese treiben Generatoren an, von denen die Rotationsenergie in elektrischen Strom umgewandelt wird.

In den westlichen Industrieländern errichtet man heutzutage kaum noch Großstaudämme, weil es nicht mehr viel Platz für sie gibt. Darüber hinaus wird ihr ökonomischer und ökologischer Nutzen bezweifelt.

Dagegen ist der Bedarf in den Entwicklungsländern nach wie vor ungebrochen. So entstehen vor allem in Asien zahlreiche neue Großstaudämme, da dort immer mehr elektrische Energie benötigt wird.

Meereswärmekraftwerke

Energie lässt sich nicht nur aus herkömmlichen Wasserkraftwerken an Binnengewässern gewinnen, sondern auch aus Meereskraftwerken (OTEC). Diese haben die Eigenschaft, die Temperaturunterschiede, die im Meer herrschen, zur Erzeugung von Strom zu nutzen.

Zu diesem Zweck pumpt man die kalten Wassermassen durch ein kilometerlanges Rohr an die Oberfläche und bringt sie in Wechselwirkung mit wärmerem Wasser. Grundvoraussetzung ist ein Temperaturgefälle von wenigstens 20 Grad Celsius.

Funktionsprinzip

Meereskraftwerke lassen sich sowohl an Land als auch mitten auf dem Meer errichten. Allerdings gelten Kraftwerke an Land als sinnvoller, da sie dort günstiger zu errichten sind.

In einem Meereskraftwerk wird warmes Wasser von der Oberfläche in einen Kreislauf gepumpt. Dieses Oberflächenwasser verwendet man zum Verdampfen eines Trägergases wie Propan oder Ammoniak.

Der dabei entstehende Dampf gelangt durch eine Turbine. Diese wandelt die Wärme in Bewegungsenergie um. Mithilfe des kalten Wassers aus den tieferen Schichten des Meeres lässt sich das Gas wieder verflüssigen, was seine erneute Einspeisung in den Kondensator ermöglicht.

Nachteile

Bis auf kleinere Versuchsanlagen gibt es heute keine Meereswärmekraftwerke mehr, da sich dieser Kraftwerkstyp nicht durchsetzen konnte. So spielen Meereswärmekraftwerke bei der Energiegewinnung keine Rolle.

Windenergie

Die Windenergie, auch Windkraft genannt, zählt zu den bedeutendsten Vertretern der erneuerbaren Energien. Nutzbar machen lässt sich die kinetische Energie der bewegten Luftmassen in der Atmosphäre mithilfe von Windenergieanlagen und Windmühlen.

Windenergieanlagen

Windenergieanlagen (WEA) sind besser bekannt unter der Bezeichnung Windkraftanlagen (WKA). Die in die Höhe ragenden Gebilde sind auf ihrer Oberseite mit einem Rotor ausgestattet, der die Windenergie in elektrische Energie umwandelt und sie in das Stromnetz einspeist.

In Deutschland findet man Windkraftanlagen vor allem im Norden, weil diese Region besonders windreich ist, denn um eine Windkraftanlage betreiben zu können, benötigt man reichlich Wind. Als lohnenswert gilt eine Anlage ab einer durchschnittlichen Windgeschwindigkeit von 4-5 Metern in der Sekunde.

Die Windmessung erfolgt ab einer Höhe von zehn Metern. Mit zunehmender Höhe steigt die Stärke des Windes an.

Funktionsprinzip

Zu den wichtigsten Bestandteilen einer Windkraftanlage gehören die Rotorblätter, die vom Wind angetrieben werden. Auch bei unterschiedlicher Windstärke erreichen sie stets die gleiche Drehzahl.

Die meisten Windräder sind mit drei Rotorblättern ausgestattet. Von den Rotorblättern wird eine langsame Antriebswelle angetrieben.

Bei größeren Windkraftanlagen liegt die Drehzahl zwischen 20 und 30 Umdrehungen in der Minute. Mithilfe eines Getriebes kommt es von einer langsamen Bewegung zu einer hohen Drehzahl von etwa 1500 Umdrehungen in der Minute. Auf diese Weise wird der Generator angetrieben, der für die Erzeugung von Strom zuständig ist. Die optimale Wirkung einer Windkraftanlage hängt von bestimmten Faktoren wie der Größe des Generators, dem Rotordurchmesser und den Windbedingungen ab.

Vor- und Nachteile von Windkraftanlagen

Mithilfe von Windkraftanlagen lässt sich umweltschonend und ökonomisch Strom erzeugen. So ist es möglich, mit einer Windkraftanlage, die eine Lebensdauer von 20 Jahren hat, bis zu 80.000 Tonnen Braunkohle oder 64.000 Tonnen Kohlendioxid-Emissionen einzusparen.

Als Nachteile gelten die Geräuschemissionen der Anlagen. Darüber hinaus werden ihnen negative Einflüsse auf die Vogelwelt und die Landschaft nachgesagt.

Windmühlen

Als Vorgänger der Windkraftanlagen gelten die Windmühlen. So stellten sie zusammen mit den Wassermühlen lange Zeit die einzigen Kraftmaschinen auf der Welt dar. Verwendung fanden sie u.a. als

  • Mahlmühlen
  • Ölmühlen
  • Pumpwerke
  • Schöpfwerke oder auch
  • zum Verarbeiten von Werkstoffen.

Ihr Funktionsprinzip basiert auf der mechanischen Nutzbarmachung der kinetischen Energie, die im Wind enthalten ist. So wird mithilfe der Windmühlenflügel dem Wind die Energie entnommen und in Rotationsenergie umgewandelt.

Windmühlen gubt es schon sehr lange und sie sind die Vorreiter der heutigen Windräder
Windmühlen gubt es schon sehr lange und sie sind die Vorreiter der heutigen Windräder

Geschichte der Windmühlen

Die ersten Windmühlen soll es bereits um 1750 v. Chr. in Babylonien gegeben haben. Später waren Windmühlen vor allem in Persien und China gebräuchlich.

Nach Europa gelangten die Windmühlen mit der Expansion der Araber auf der Iberischen Halbinsel. Im späten 12. Jahrhundert entstanden sie auch in England, der Normandie und Flandern.

Im Heiligen Römischen Reich Deutscher Nation entwickelte man ab dem 13. Jahrhundert die so genannten Bockwindmühlen, deren Merkmal das Drehen der gesamten Mühle im Wind war. Im Laufe der Jahre fanden die Windmühlen vielfältige Verbreitung und wurden vor allem an windigen Plätzen errichtet.

Dagegen platzierte man Wassermühlen logischerweise an Wasserläufen. Ab dem 16. Jahrhundert entstanden in den Niederlanden die Holländerwindmühlen.

Bis ins 18. Jahrhundert kam es zu einer gewaltigen Anzahl an Windmühlen auf dem europäischen Kontinent. So gab es allein in Deutschland bis 1895 mehr als 18.000 Windmühlen und über 54.000 Wassermühlen.

Mit der Entwicklung der Dampfmaschinen im 19. Jahrhundert endete jedoch die Blütezeit der Windmühlen. Es setzte sogar ein regelrechtes Windmühlensterben ein. Einen kurzen Aufschwung erlebten die Windmühlen noch einmal während des 2. Weltkrieges und in der Nachkriegszeit, da es vielerorts an intakten Alternativen fehlte.

Durch das Mühlengesetz, das in Deutschland in den 50er Jahren beschlossen wurde, kam es jedoch erneut zu einem Mühlensterben. In der heutigen Zeit gibt es in Deutschland noch etwa 1400 Wind- und Wassermühlen. Meist finden sie als Restaurant, Museum oder technisches Denkmal Verwendung.

Geothermie

Die Geothermie, auch als Erdwärme bekannt, ist die gespeicherte Wärme, die sich unterhalb der Erdkruste befindet. Sie gehört zu den erneuerbaren Energien.

Erdwärme wurde bereits von den alten Römern für den Bau ihrer Thermen genutzt. Wissenschaftler gehen davon aus, dass die im Inneren der Erde entstehende Wärme ein schier unerschöpfliches Energiepotential bildet. Darüber hinaus hat sie den Vorteil, dass sie sich frei von klimaschädigenden Emissionen und Abfällen nutzen lässt.

Nutzung

So eignet sich die Geothermie

  • zum Heizen von Gebäuden
  • zum Speisen von Nahwärmnetzen sowie
  • zur Erzeugung von elektrischem Strom.

Besonders verbreitet ist die Nutzung der Geothermie in Island und Schweden. Dabei werden durch überschüssigen Hitzedampf Turbinen, die sich in einem Geothermiekraftwerk befinden, angetrieben, was zum Erzeugen von Strom dient.

Experten sind der Ansicht, dass sich das Potential der Erdwärme auch in Mitteleuropa erschließen lässt. In Deutschland beschränkt sich die Nutzung der Geothermie bislang jedoch nur auf wenige Orte in Bayern und Mecklenburg-Vorpommern. Dort verwendet man die Erdwärme in erster Linie zum Heizen.

Nachteil

Ein Nachteil der Geothermie ist, dass zahlreiche ergiebige Heißwasservorkommen erst in mehreren tausend Metern Tiefe zu finden sind. In solchen Bereichen zu bohren, ist jedoch überaus kostspielig.

Mechanische Energie (Gezeiten)

Als Gezeiten oder Tiden bezeichnet man die periodischen Wasserbewegungen der Weltmeere, die von den Gezeitenkräften angetrieben werden. Man kennt sie als Ebbe und Flut.

Verursacht werden die Gezeitenkräfte von der Gravitation zwischen Erde und Mond sowie zwischen Sonne und Erde. Die Strömungen, die daraus entstehen, können mithilfe von Gezeitenkraftwerken zur Energiegewinnung genutzt werden.

Gezeitenkraftwerke

Bei Gezeitenkraftwerken handelt es sich um spezielle Wasserkraftwerke. Aus dem Tidenhub des Meeres wandeln sie potentielle und kinetische Energie in Strom um.

Die Kraftwerke gewinnen ihre Energie aus der Erddrehung unseres Planeten. Dabei sorgen sie für eine minimale Abbremsung der Meeresströmungsbewegungen, die durch Gezeiten entstehen.

So wird die auf- und ablaufende Strömung durch Stauung abgebremst. Schließlich nutzen sie mithilfe von Turbinen die potentielle Energie innerhalb des Wassers. Die von den Turbinen generierte Rotationsenergie wird mittels elektrischer Generatoren in elektrische Energie umgewandelt.

Funktionsprinzip

Gezeitenkraftwerke errichtet man in der Regel mit einem Staudamm an Meeresbuchten oder Flussmündungen, bei denen ein besonders hoher Tidenhub besteht. Beim Tidenhub handelt es sich um die Differenz zwischen dem Hochwasserstand und dem Niedrigwasserstand.

Die entsprechende Bucht dämmt man mit einem Deich ab, in dem sich Wasserturbinen befinden. Diese werden bei Ebbe vom abfließenden Wasser und bei Flut vom einfließenden Wasser angetrieben.

So haben die Turbinen die Eigenschaft, in beide Strömungsrichtungen zu arbeiten. Erreicht wird dies durch das Umstellen der Rotorblätter. Zur Anwendung kommen meist spezielle Rohrturbinen wie die Kaplan-Turbine.

Gezeitenkraftwerke sind auch in der Lage, zum Pumpen von Meerwasser in den Stauraum überschüssigen Strom aus anderen Kraftwerken zu nutzen. Auf diese Weise lässt sich dann beim Rückfluss des Wassers zusätzlich Strom erzeugen. Das Gezeitenkraftwerk fungiert in diesem Fall als Pumpspeicherkraftwerk.

Aufgrund der starken ökologischen Einwirkungen baut man in der heutigen Zeit nur noch selten Gezeitenkraftwerke nach dem beschriebenen Prinzip. Stattdessen wird vermehrt auf so genannte Meeresströmungskraftwerke gesetzt, die die Elektrizität aus der natürlichen Meeresströmung heraus erzeugen. Die Errichtung eines Stauwerks ist dabei nicht nötig, da sich die Turbine an einem Mast in der Wasserströmung befindet.

Das Thema erneuerbare Energien bestimmt zunehmend den Alltag aller Menschen und ist dementsprechend auch ein wachsender Wirtschaftsfaktor - Infolgedessen gibt es auch immer mehr Berufe, die unmittelbar mit den erneuerbaren Energien in Verbindung stehen...

Berufsmöglichkeiten im Bereich erneuerbare Energien

Kam es beispielsweise im Berufsbild technischer Berufe früher hauptsächlich auf die rein technische Komponente an, so spielt heute immer mehr der Öko-Faktor eine Rolle. Aber auch in handwerklichen Berufen gewinnt der Umweltschutz immer mehr an Bedeutung.

So müssen Maurer, Maler oder Dachdecker heute beim Bau neuer Häuser nicht nur die Wünsche der Bauherren berücksichtigt werden, sondern auch die gesetzlichen Richtlinien und Vorschriften, die sich beispielsweise auf die Dämmung und die damit verbundene Energieeffizienz eines Hauses beziehen.

Und auch Installationen von Heizungs- oder Klimaanlagen, sowie die Installation sanitärer Einrichtungen erfordert immer mehr Know-how im Bereich von Umwelt- und Klimaschutz.

Da wundert es kaum, dass das Thema Umweltschutz immer mehr schon in den jeweiligen Ausbildungsberufen Einzug hält. Doch vor allem wenn es um die erneuerbaren Energien geht, gibt es nicht nur Veränderungen in diesem oder jenem Job-Profil, die erneuerbaren Energien machen auch völlig neue Berufe notwendig.

Beispiele

Wenn Solaranlagen installiert werden, dann müssen Fachleute ran. Auch der Bau von Windrädern kann nicht von jedermann bewerkstelligt werden. Für diese immer wichtiger werdenden Arbeiten wird gut geschultes Personal benötigt.

Das Schöne ist, dass Berufe rund um die erneuerbaren Energien immer gefragter werden, weil eben auch der Bedarf an erneuerbaren Energien stetig steigt. Und so gibt es heute zum Beispiel schon den Beruf des Windkrafttechnikers. Dieses Berufsbild verspricht einen sicheren Arbeitsplatz für viele Jahre.

Darüber hinaus ist das ein Beruf, in dem viel gereist wird. Denn wo auch immer Windkraftanlagen aufgebaut werden, werden Windkrafttechniker gebraucht. Gleiches gilt für Solartechniker. Auch sie werden in den kommenden Jahren wohl immer häufiger gebraucht.

Fortbildungsmaßnahmen

Da Berufe wie beispielsweise der Windkrafttechniker noch relativ neu sind, handelt es sich hierbei nicht um klassische Ausbildungsberufe. Vielmehr sind das Berufe, bei denen weiterbildende Maßnahmen zur entsprechenden Qualifikation führen.

Die besten Voraussetzungen bringen Menschen mit, die bereits eine abgeschlossene Ausbildung als Anlagenmechaniker, Elektroniker oder Mechatroniker vorweisen können. Abgesehen von spezialisierten Berufen wie dem Windkraft- oder Solartechniker, gibt es auch - in den bereits erwähnten Berufszweigen Elektrik, Bauwesen Heizung und Sanitär - Ausbildungsberufe, die sich mehr und mehr mit den erneuerbaren Energien auseinandersetzen.

Die so genannte chemische Energie befindet sich Form einer chemischen Verbindung in Energieträgern und kann im Rahmen einer chemischen Reaktion freigsetzt werden.

Funktionsprinzip und Anwendung der chemischen Energie

Chemische Energie befindet sich in so genannten Energieträgern.

  • Primäre Energieträger sind beispielsweise fossile Energien wie Erdgas, Erdöl, Braun- oder Steinkohle.
  • Die sekundären Energieträger werden erzeugt; sie sind nicht natürlich vorhanden. Zu ihnen gehören Treibstoffe, aus Biomassenvergärung gewonnenes Ethanol, Wasserstoff aus Windenergie oder Druckluft.

Chemische Energie ist das Ergebnis einer chemischen Reaktion. Dabei werden einige oder mehrere chemische Verbindungen in andere, neue chemische Verbindungen umgewandelt. Sie bestehen beiderseits aus chemischen Elementen und werden durch die Wechselwirkung der Elektronen zusammengehalten.

Elektronen sind negativ geladene Elementarteile. Der Chemiker und Nobelpreisträger Wilhelm Ostwald hat den Begriff chemische Energie geprägt. In seinem gleichnamigen Lehrbuch wurde sie ausführlich dargestellt und war ein Baustein für die spätere Verleihung des Nobelpreises für Chemie.

Verwendung im Detail

Die chemische Energie wird sowohl im biologischen als auch im technischen System verwendet. Als Chemie im weitesten Sinne kann die Lehre von den Eigenschaften des Stoffes und deren Änderungen sowie die mit der Änderung verbundene Energieumwandlung bezeichnet werden.

Für den Chemiker klingt das logisch und einfach, für den außenstehenden Laien erst auf den zweiten Blick verständlich. Durch eine biochemische Reaktion wird mit der Spaltung von Bindungen chemische Energie freigesetzt.

Durch diesen Vorgang entsteht eine neue, zusätzliche Bindung. Vorhandene chemische Energie wird dadurch zum Beispiel in neue Energieformen wie Wärme, Licht oder elektrischen Strom umgewandelt.

In Treibstoffen für motorgetriebene Fahrzeuge ist eine chemische Energie gespeichert, also enthalten. Sie wird durch den Verbrennungsvorgang des Treibstoffes in mechanische Energie, in diesem Falle in die Antriebskraft, umgesetzt. Ein typischer Speicher für die chemische Energie ist die Brennstoffzelle.

Brennstoff und passend ausgewähltes Oxydationsmittel zusammen sorgen bei einer regelmäßigen Zufuhr für die Produktion von elektrischer Energie. Der Akkumulator, der umgangssprachliche Akku als Stromquelle, wandelt elektrische Energie in chemische Energie um und speichert sie gleichzeitig.

Buchstäblich seit Menschengedenken gewinnen alle Pflanzen chemische Energie aus dem Sonnenlicht. Die Fotosynthese zeigt, wie mithilfe der Energie Sonnenlicht die energiearmen zu energiereichen Stoffen werden. Dieser Vorgang der chemischen Energie funktioniert in der Natur bei jedem Jahreszeitenwechsel.

Die dazu notwendige Arbeit leisten die ATP-Moleküle in den biologischen Zellen, den kleinsten Einheiten der Organismen. ATP steht für Adenosintriphosphat, ein Nucleotid als Basis von Nukleinsäuren.

Chemische Energie ist fest und ursprünglich in der Natur verankert. Ebenso wie die Wärmeenergie oder die Nuklearenergie ist sie als physikalische Größe auch eine Innere Energie.

Quellen:

  • Rainer Griesshammer: Der Klima-Knigge: Energie sparen, Kosten senken, Klima schützen, Aufbau Tb, 2008, ISBN 3746670632
  • Peter Hennicke und Manfred Fischedick: Erneuerbare Energien: Mit Energieeffizienz zur Energiewende, Beck, 2010, ISBN 3406555144
  • Christine Wörlen: Erneuerbare Energien: Wissen, was stimmt, Herder, Freiburg, 2010, ISBN 3451062151
  • Volker Quaschning: Regenerative Energiesysteme: Technologie - Berechnung - Simulation, Hanser Fachbuchverlag, 2007, ISBN 3446409734
  • Claudia Hilgers: Wegweiser - Energiesparen im Haushalt, Beuth, 2007, ISBN 341016491X

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