↑ Zurück zu Informationen

Was ist Energie?

Was ist Energie?

Energie und Umweltmanagement

Umweltmanagement verfolgt das Ziel, natürliche Umweltressourcen im weitesten Sinne (Rohstoffe, Luft, Wasser etc.) in möglichst geringem Umfang in Anspruch zu nehmen. Umweltmanagementbeauftragte sind beispielsweise dafür verantwortlich, dass das Unternehmen sparsam und effizient mit Energie umgeht.
In industriellen Produktionsprozessen zur Herstellung von Marktprodukten werden auf allen Produktionsstufen Stoffe und Energiearten bereitgestellt, umgeformt, umgewandelt, gelagert und transportiert. Mit dem Prozess der Leistungserstellung werden Stoffe in flüssigen, gasförmigen und festen Aggregatszuständen emittiert und ergeben umweltbelastende Auswirkungen im Verlauf des gesamten Stoff- und Energieflussprozesses.

Begriff der „Energie“

Wir alle nutzen Energie tagtäglich in mannigfaltiger Art und Weise, z.B. für Reisen, für den Transport von Produkten und Gütern, für den Antrieb von Maschinen, zur Kühlung und Beheizung von Räumen und zur Beleuchtung jeglicher Art. Verschiedene Erscheinungsformen von Energie können wir auch in der Natur beobachten, beispielsweise in Form eines Blitzes, im Wasserkreislauf, in der Bewegung des Windes, in den Gezeiten und in der Sonneneinstrahlung. Jede Aktivität ist mit Energie verbunden.
Der heute in vielen Lebensbereichen verwendete Begriff „Energie“ kommt aus der Physik:
„Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten.“
Der Begriff „Energie“ lässt sich auf das griechische Wort „energeia“ zurückführen, welches erstmals bei Aristoteles (384–322 v.Chr.) zu finden ist. In „energeia“ sah Aristoteles den göttlichen Geist bzw. die Wirksamkeit, die dem bloß Möglichen zur Wirklichkeit verhilft. Aristoteles betrachtete alles Geschehen als Übergang aus dem Zustand des Möglichen in den Zustand der Wirklichkeit und Wirksamkeit.
Der Begriff Energie wurde von dem schottischen Physiker William John Macquorn Rankine 1852 in dem heutigen Sinn in die Physik eingeführt. Bis dahin wurde für die Energie der Begriff „Kraft“, in Deutschland auch „lebendige Kraft“ benutzt.
Im 19. Jahrhundert wurden die Grundlagen der Thermodynamik entwickelt. 1847 stellte Hermann von Helmholtz den ersten Hauptsatz der Thermodynamik (Energieerhaltungssatz) in seiner allgemein gültigen Form auf:

Energieerhaltungssatz

„Energie kann von einer Form in eine andere umgewandelt werden, sie kann aber weder erzeugt noch vernichtet werden.“
Der Energieerhaltungssatz in der klassischen Physik sagt aus, dass die Gesamtenergie eines Systems durch Prozesse, die ausschließlich innerhalb des betrachteten Systems stattfinden, nicht verändert werden kann. Das heißt, es ist unmöglich, innerhalb eines abgeschlossenen Systems Energie zu erzeugen bzw. zu vernichten.
Die Gesamtenergie im Universum ist konstant. Arbeit und Wärme sind zwei verschiedene Erscheinungsformen einer allgemeinen Größe der Energie.
Viele Menschen haben nach Ausnahmen vom ersten Hauptsatz der Thermodynamik gesucht. Sie alle wollten im Grunde ein Perpetuum mobile bauen: eine Maschine, die ständig Arbeit verrichtet, ohne dass ihr Energie zugeführt wird. Alle diese Versuche mussten fehlschlagen.
Energie lässt sich von einer Energieform in eine andere umwandeln, sie lässt sich speichern und transportieren. Sie ist jedoch kein Stoff. Wärmeenergie ist die ungeordnete Bewegung molekularer Teilchen, elektrischer Strom die gerichtete Bewegung geladener Teilchen, Strahlungsenergie besteht aus elektromagnetischen Wellen. Energie kann weder erzeugt noch verbraucht, sie kann nur von einer Energieform in eine andere überführt werden. Die gesamte Energiemenge bleibt konstant.
Wenn dennoch immer wieder von „Energieverbrauch“ die Rede ist, so ist damit gemeint, dass Energie in wertvollerer Form (z.B. chemische Energie des Erdöls) in eine für uns weniger wertvolle Energie (Wärme) umgewandelt wird. Die Energie wird entwertet, der Nutzwert der Energie vermindert sich. Diese an die Umgebung abgegebene Wärme kann nicht mehr genutzt werden, sie ist für uns verbraucht.

Energieformen

Es gibt verschiedene Energieformen:

  • mechanische Energie (kinetische und potenzielle Energie)
  • Wärmeenergie
  • Strahlungsenergie
  • elektrische Energie
  • chemische Energie
  • Kernenergie

Diese Energieformen zeigen sich in der Natur in verschiedenen Energieträgern:

  • Mechanische Energie wird im fließenden Wasser, in den Gezeiten und am Wind sichtbar.
  • Wärmeenergie ist im heißen Erdkern und in der Sonnenstrahlung wirksam.
  • Strahlungsenergie ist ein Bestandteil des Sonnenlichts.
  • Elektrische Energieentladungen verursachen den Blitz.
  • Chemische Energie ist z.B. im Erdöl und -gas enthalten.
  • Kernenergie entsteht bei der Spaltung von Uran.

Begriffe

Energieträger sind in der Natur die fossilen Rohstoffe Erdöl, Kohle, Erdgas und die regenerativen Energieträger Windenergie, Wasserkraft, Gezeitenkraft, Sonnenenergie, Erdwärme, Biomasse (z.B. Stroh, Holz, Biogas und Biodiesel) und Uran als Kernbrennstoff. Diese Energieträger sind die primäre Quelle der Energie und heißen Primärenergieträger.
Für die Nutzung muss diese Primärenergie erst umgeformt werden. Es werden z.B. Brennstoffe für Industrie und Raumheizung, elektrischer Strom für die verschiedensten Verbraucher und Treibstoffe für Motoren hergestellt.
In der Umwandlungskette ist diese Endenergie meistens nicht der letzte Schritt. Die Verbraucher (Industrie, Gewerbe, öffentliche Einrichtungen, Haushalte) setzen die gelieferte Endenergie zur Gewinnung von Nutzenergie ein, d.h. für die Herstellung von Raumwärme, warmem Wasser, Licht oder für den Antrieb von Kraftfahrzeugen.
Bei der Gewinnung und Umwandlung von Primärenergie in End- bzw. Nutzenergie treten teilweise erhebliche Umwandlungsverluste auf. Für die Bereitstellung einer Kilowattstunde elektrischen Stroms als Nutzenergie für den Verbraucher müssen ungefähr drei Kilowattstunden an Primärenergie in Form von Kohle oder Erdöl eingesetzt werden. Auch beim letzten Umwandlungsschritt, z.B. von Gas in Raumwärme oder Strom in mechanische Energie, sind unterschiedliche Wirkungsgrade zu berücksichtigen. Die beteiligten Aggregate, z.B. Heizkessel und Radiatoren oder Elektromotoren, formen mit ungleicher Effizienz die Endenergie in Nutzenergie um.
Um z.B. den Anteil der fossilen Energien am Gesamtenergieverbrauch aufzuzeigen, muss eine einheitliche Beschreibung gefunden werden. Man kam überein, die Primärenergie und die Endenergie als einheitliche internationale Bezugsmaßstäbe zu erklären. Klärungsbedarf besteht noch bezüglich einer gemeinsamen Berechnungsgrundlage und einer Festlegung der Systemgrenzen.
Die Energieträger, die noch keine Umwandlung erfahren haben, wie z.B. Rohöl oder Naturgas, werden Primärenergieträger genannt. Der bei diesen Energieträgern durch Verbrennung ermittelte Heizwert wird normalerweise in Joule oder Steinkohleeinheiten (SKE) gemessen.

SI-Basiseinheiten

Das internationale Einheitssystem SI (Système international d’unités), welches aus dem metrischen System hervorgegangen ist, wurde 1960 weltweit eingeführt. Mit diesem System wurden die Einheiten im Messwesen neu geordnet.
Das SI ist mittlerweile das vorherrschende Maßsystem der internationalen Wirtschaft, obwohl es den Bedürfnissen der Wissenschaft entstammt. Die SI-Einheiten sind in Deutschland als gesetzliche Einheiten für den amtlichen und geschäftlichen Verkehr eingeführt. Um die nationale und internationale Einheitlichkeit der Maße zu gewährleisten, sind die Aufgaben der Darstellung, Bewahrung und Weitergabe der Einheiten im Messwesen der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB), dem nationalen Metrologieinstitut Deutschland übertragen worden. Einzelheiten hierzu sind im Einheitsgesetz formuliert.
Für die Größen Arbeit, Energie und Wärmemenge sind im SI-System die gesetzlichen Einheiten Joule (J), Kilowattstunde (kWh) und Elektronenvolt (eV) zugelassen.

  • 1 J = 1 Nm = 1 Ws
  • 1 kWh = 3,6 MJ = 860 kcal
  • 1 eV = 160,21892 x 10-21J

Nm = Newtonmeter (1 N = 1 kgm/s2)
Ws = Wattsekunde
kcal = Kilokalorie
Zu bemerken ist, dass kcal keine gesetzliche Einheit ist.

Nicht nur in den Tageszeitungen, sondern auch in Fachzeitschriften kann des Öfteren festgestellt werden, dass Energie und Leistung verwechselt werden. So kann es z.B. heißen, die Nennleistung einer Anlage beträgt 100 kWh und die Stromerzeugung 30.000 kW/a. Richtig ist die Angabe der Nennleistung mit 100 kW und der Erzeugung mit 30.000 kWh/a (Energie ist Leistung mal Zeit).