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24.9.2013

Was ist Energie

Energie und insbesondere die Stromversorgung spielen eine bedeutende Rolle in unserem Alltag. Zentrale Begrifflichkeiten, physikalische Grundlagen und die gebräuchlichen Maßeinheiten sind wichtig für das Verständnis von Energiefragen, vor allem wenn es um die Vergleichbarkeit verschiedener Energieträger geht.

Energie ist lebenswichtig

Ohne Energie gehen die Lichter aus, so wie im November 2012 in New York, als ein Stromausfall weite Teile der Stadt in Dunkelheit hüllte. (© Getty Images / Iwan Baan)

Unser Leben ist ohne Energie nicht möglich. Die Menschen führen sich mit Nahrungsmitteln die Energie zu, die sie brauchen, um Tätigkeiten ausführen zu können. Auch zum Heizen oder Kühlen wird Energie benötigt, ebenso wie um Wege zurückzulegen, Räume zu erleuchten, zu telefonieren oder um sich im Datenverkehr zu bewegen. Derartige Aktivitäten und den damit verbundenen Energiebedarf gibt es in allen Wirtschaftssektoren, sei es Landwirtschaft, Industrie, Handel, Dienstleistungen, Verkehr, private Haushalte und öffentliche Einrichtungen.
Die industrielle Entwicklung, die in England während der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts begann, sich im 19. Jahrhundert auf andere Länder Europas und Nordamerikas ausdehnte und seit Mitte des 20. Jahrhunderts zunehmend auch Asien und Lateinamerika erfasste, wäre ohne Energie und ohne die Erschließung neuer Energiequellen undenkbar gewesen. In vorindustriellen Zeiten waren die Menschen im Wesentlichen auf Energiequellen angewiesen, die ihnen ihre natürliche Umgebung in ihrer ursprünglichen Form darbot: Wasser, Sonne, Wind, Holz und Kohle. Dadurch wurde auch das Spektrum ihrer wirtschaftlichen Tätigkeiten eingeschränkt. Eine moderne Wirtschaft und technischer Fortschritt konnten sich erst entwickeln, als "neue" Energieträger verfügbar waren. Dazu zählen nicht nur das Öl und die verschiedenen Ölprodukte, wie Benzin, Diesel oder Heizöl, sondern auch Erdgas und insbesondere die elektrische Energie.
Phänomene der Elektrizität waren schon in der Antike bekannt, und eine gezielte und praktische Anwendung gab es seit dem ausgehenden 16. Jahrhundert. Doch erst Mitte des 19. Jahrhunderts, nachdem die Gesetzmäßigkeiten der Elektrizität erforscht waren, setzte deren breite Nutzung ein. Beispiele sind die 1844 von Samuel F. B. Morse in Betrieb gesetzte Telegrafenleitung in den USA, die im gleichen Jahr von Louis Joseph Deleuil erstmalig installierte elektrische Beleuchtung eines öffentlichen Platzes, der Place de la Concorde in Paris, und der 1866 von Werner von Siemens entwickelte elektrische Generator. 1882 erfolgte auf der Strecke Miesbach-München die erste Fernübertragung von Gleichstrom über eine Distanz von 57 Kilometern. Vier Jahre später kam die heute gebräuchliche elektrische Energieübertragung mittels Wechselstrom hinzu. 1891 glückte schließlich die erste Fernübertragung mit dem heute in der Energietechnik üblichen Dreiphasenwechselstrom auf der Strecke von Lauffen nach Frankfurt über 176 Kilometer.

Blackout

[...] Stellen wir uns einen frühen Abend im Februar vor, sieben Uhr abends, Stromausfall. Berlin: ein großes schwarzes Nichts. München, Hamburg, Köln, überall fehlt der Strom. U-Bahnen bleiben stehen, Aufzüge stecken fest, ohne funktionierende Ampeln versinkt der Feierabendverkehr im Chaos. Der nächste Morgen: Hoffnungsvoll drücken die ersten Frühaufsteher die Lichtschalter – vergeblich. Langsam leeren sich die Akkus der Handys, die vielen als letzte Lichtquelle dienen. Mobilfunknetze und Internet sind ausgefallen.


Physikalische Grundlagen



Vereinfachend lässt sich Energie als die Fähigkeit beschreiben, Arbeit zu verrichten. Dabei ist zwischen zwei Komponenten zu unterscheiden: zwischen der Anergie und der Exergie. Exergie bezeichnet den Anteil der Energie, der in Arbeit umgewandelt werden kann, während die Anergie der Teil der Energie ist, der (außer evtl. zum Heizen) keinen Nutzen hat und nicht in Arbeit umgewandelt werden kann. Beides sind Begriffe aus der Thermodynamik, der Wärmelehre, für die vor allem zwei Hauptsätze wichtig sind: Einige weitere Begriffe tragen zum besseren Verständnis dessen, was Energie ist, bei:


Gebräuchliche Maßeinheiten



Wesentlich für das Verständnis von Energiefragen ist die Kenntnis der wichtigsten Maßeinheiten. Bei der Stromversorgung unterscheidet man zwischen elektrischer Leistung und elektrischer Arbeit, wobei die elektrische Leistung in Watt und die elektrische Arbeit in Wattstunden oder jeweils einem Vielfachen davon gemessen wird.

Übersicht über Vorsätze bei den Einheiten

Um Zahlen mit vielen Stellen zu vermeiden, werden bei den jeweiligen Einheiten Vorsätze verwendet, die ein Vielfaches von Maßeinheiten bilden.


Strom und seine Maßeinheiten

Der Stromverbraucher ist meist daran interessiert, wie viele Kilowattstunden (also wie viel elektrische Arbeit) er verbraucht hat. Gleichzeitig nimmt er aber auch eine elektrische Leistung in Anspruch, wenn er Haushaltsgeräte wie die Spülmaschine oder die Waschmaschine anschaltet. Damit fragt er eine bestimmte Leistung nach, die auf Wunsch zu einem beliebigen Zeitpunkt bereitstehen soll. Stellen die Kraftwerke diese dann nicht zur Verfügung, kann die gerade nachgefragte Leistung nicht gedeckt werden. Eine sichere Stromversorgung lässt sich daher nur gewährleisten, wenn jederzeit, das heißt rund um die Uhr, ausreichende Kraftwerkskapazitäten (Kraftwerksleistungen) zur Deckung dieser Leistungsnachfrage zur Verfügung stehen.
Aber was ist Strom eigentlich? Vereinfacht gesagt, ist er ein Teil der Elektrizität. Zu ihr gehört alles, was durch ruhende oder bewegte elektrische Ladung verursacht wird. Träger elektrischer Ladungen sind negativ geladene Elektronen oder positiv geladene Protonen. Folgende Maßeinheiten werden zur Beschreibung des Stroms verwendet: Berechnung des Gesamtenergieverbrauchs

Neben den zahlreichen Maßeinheiten, die für Strom relevant sind, kommen bei gesamtenergiewirtschaftlichen Betrachtungen noch weitere Maßeinheiten ins Spiel. Der gesamte Energieverbrauch einer Region speist sich aus sehr unterschiedlichen Primär- und Sekundärenergieträgern. Die wichtigsten sind Stein- und Braunkohlen, Mineralölprodukte (wie Benzin, Diesel, Heizöl), Erdgas, Kernenergie, Strom und Fernwärme sowie die große Palette von erneuerbaren Energien (Biomasse, Wind, Wasser, Sonne, Geothermie). Sie sind in den Energiestatistiken oft nur in ihren jeweiligen spezifischen Einheiten (z. B. in Tonnen, Kubikmeter, Terajoule) ausgewiesen.
Um die Energieträger vergleichbar und additionsfähig zu machen und sie zur Ermittlung des Gesamtenergieverbrauchs einheitlich bewerten zu können, müssen sie auf einen einheitlichen Nenner gebracht werden. Das geschieht mit Hilfe von Umrechnungsfaktoren. Seit 1977 werden die in spezifischen Einheiten erfassten Mengen in "Joule" umgerechnet. Als noch die Nutzung von Kohle dominierte, war auch die Umrechnung in Steinkohleneinheiten (SKE) üblich. Die Umrechnung der Energieträger geschieht auf der Grundlage ihrer Heizwerte. Der Heizwert bezeichnet die bei einer Verbrennung maximal nutzbare Wärmemenge. Allerdings ist dieser Wert nicht bei allen Energieträgern unveränderlich. Die Qualität eines Energieträgers kann sich im Zeitablauf ändern, beispielsweise bei fossilen Energieträgern in Abhängigkeit von ihren Lagerstätten. So haben Steinkohlen verschiedener Herkunft, aber auch, wenn sie aus verschiedenen Schichten derselben Lagerstätte kommen, unterschiedliche Heizwerte. Je nach Zusammensetzung der Steinkohlenförderung in einer Lagerstätte oder einer Förderregion variiert dann auch der gewichtete Heizwert.

Ein besonderes Problem stellt sich, wenn mit stromerzeugenden Primärenergieträgern international gehandelt wird und die Produkte vergleichbar sein sollen. Gleiches gilt für die Bewertung von Wasser- und Windkraft, Photovoltaik und Kernenergie, die zur Stromerzeugung eingesetzt werden. Hier gibt es keinen einheitlichen Umrechnungsmaßstab wie den Heizwert. In diesen Fällen wird in Übereinstimmung mit internationalen Organisationen (IEA, EUROSTAT, ECE) auch in den Energiebilanzen für Deutschland das sogenannte Wirkungsgradprinzip angewendet. Dabei wird für die Kernenergie ein als repräsentativ erachteter Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung von 33 Prozent zugrunde gelegt. Der Wirkungsgrad misst die Effizienz von Energiewandlungen und Energieübertragungen. Er ist eine dimensionslose Größe und beschreibt das Verhältnis der Nutzleistung zur zugeführten Leistung. Bei der Stromerzeugung aus den erneuerbaren Energieträgern Wasserkraft, Wind und Solarstrahlung wird der jeweilige Energieeinsatz dem Heizwert der erzeugten elektrischen Energie gleichgesetzt. Der Heizwert für den Strom beträgt 3600 kJ/kWh, mit dem ebenfalls der Stromaustauschsaldo bewertet wird. Während Erdgas, setzt man es zur Stromerzeugung ein, mit seinem Heizwert (etwa 31 736 kJ/kWh) zwar unmittelbar bewertet wird, dann aber noch der Umwandlungswirkungsgrad von Steinkohle zu Strom zu berücksichtigen ist (etwa 43 %), setzt man bei der primärenergetischen Bewertung von Wind, Photovoltaik und ähnlichem einen Wirkungsgrad von 100 Prozent an. Diese Bewertungsmaßgabe hat zur Folge, dass ein Ersatz der Stromerzeugung aus Kernkraftwerken, die primärenergetisch mit 33 Prozent bewertet wird, durch erneuerbare Energien mit einem Wirkungsgrad von 100 Prozent rein statistisch gesehen zu einer relativen Verminderung des Primärenergieverbrauchs führt, ohne dass sich das Niveau der Stromerzeugung verändert hätte.

Hans-Joachim Ziesing

Hans-Joachim Ziesing

Dr. Hans-Joachim Ziesing war lange Jahre Leiter der Energieabteilung im Deutschen Institut für Wirtschaftsforschung (DIW Berlin). Als unabhängiger Consultant ist er beratend tätig im Bereich von Energie- und Klimapolitik. Seit 1994 ist er Geschäftsführer der Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen e. V., deren Aufgabe die Erstellung der Energiebilanzen für Deutschland ist.


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