Energiequelle

Als Energiequelle wird in der Energiewirtschaft und Energietechnik ein Energieträger oder ein Energiewandler bezeichnet, der zur Gewinnung von Nutzenergie dient.

Begriffsunterscheidung Umgangssprachlich und in nicht-wissenschaftlicher Literatur werden die Begriffe Energie, Energieträger und Energiequelle oft als Synonyme verwendet, doch im wissenschaftlichen Bereich der Energietechnik haben sie unterschiedliche Bedeutungen. Die Energiequelle ist in einem abgeschlossenen System das Element, das die Energie durch Umwandlung aus einer anderen Energieform zur Verfügung stellt. Der Energieträger hingegen ist das mengenmäßig bilanzierfähige Mittel, das die Energie enthält und überträgt. Veranschaulichen lässt sich das an der Sonne, die mit ihren Kernfusionen die wichtigste Energiequelle für die Erde darstellt und die Energie mittels des Energieträgers Strahlung zur Verfügung stellt.

Irdische Energiebilanz Die auf der Erde nutzbaren Energiequellen entstammen zum größten Teil aus der Strahlung der Sonne. Die Sonnenstrahlung kann unmittelbar umgewandelt werden (Solarkollektor). Meist erfolgt die Nutzung jedoch mittelbar, indem eine Wechselwirkung der Sonneneinstrahlung mit der Erdoberfläche eine Energiewandlung stattfindet. Biologisch umgesetzte Energie entsteht langfristig über das Pflanzenwachstum in unterschiedlichen Zeiträumen (Biomasse, Holz, Torf, Kohle, Erdöl). Wetterauswirkungen sind kurz- und mittelfristig (Wind, Wasserkraft).

Die Erde entspricht hinsichtlich des Lichtspektrums der auf die Erde einfallenden Sonnenstrahlung näherungsweise einem schwarzen Körper. Bezogen auf die mittlere Oberflächentemperatur der Erde beträgt der Carnotfaktor 0,95, so dass die Strahlungsenergie nahezu als reine Exergie angesehen werden kann. Damit Energiequellen genutzt werden können, muss eine Temperatursenke vorhanden sein, die die Erdoberfläche darstellt. Diese wiederum emittiert Wärmestrahlung. Die Bestandteile der Atmosphäre beeinflussen die Rückstrahlung durch Absorption (Erderwärmung). Der Weltraum selber ist über die gesamte Kugelraumfläche betrachtet ebenfalls nahezu schwarz, so dass die irdische Infrarotwärmestrahlung von der Erde in den Weltraum emittiert werden kann. Die auf die Erde einfallende Sonnenstrahlung und die emittierte Wärmestrahlung müssen im Mittel gleich groß sein, damit das Temperaturgleichgewicht der Erde gegeben ist. Die letztlich auf der Sonnenenergie basierenden Energiequellen werden mit Maschinen in eine dem Menschen nützende Energie umgewandelt, und die Energie wird letztendlich als Wärme in den Weltraum emittiert.

Formen von Energiequellen Der Mensch braucht seit jeher verschiedene Formen von Energie zum (Über)leben. Mit der Industrialisierung hat der Energiebedarf der Menschheit zugenommen und sich gewandelt. Die Hauptenergiequelle der Erde ist die Sonne. Die Sonnenenergie ist auch die treibende Kraft für viele andere Energieträger wie zum Beispiel Meeresströmungen und den Wasserkreislauf.

Die verschiedenen Formen von Energiequellen sind im Einzelnen: Fossile Energie (Steinkohle, Braunkohle, Torf, Erdgas, Erdöl) Regenerative Energie Sonnenenergie (nutzbare solare Energieeinstrahlung: Licht, Wärme) Biomasse (biologischer Zerfall) Windenergie (atmosphärische Strömungen) Wasserkraft, einschließlich Gezeiten (Tidenhub) Wellenkraft (Wellenkraftwerk) Meeresströmung (Meeresströmungskraftwerk) Geothermie (Erdwärme) Kernenergie (Kernspaltung und Kernfusion)

Anteil der einzelnen Energiequellen in Deutschland Anteil der einzelnen Energiequellen am Gesamtenergieverbrauch, unterschieden nach eingesetzter Primärenergie: +Primärenergieverbrauch für Deutschland 2005Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen 2010 2012Vorläufige Zahlen. (PDF) Bundeswirtschaftsministerium20182024 Mineralöl 36,0 % 33,6 % 33,0 %34,0 %36,4 % Erdgas 22,7 % 21,8 % 21,5 %23,4 %25,9 % Steinkohle 12,9 % 12,1 % 12,9 %10,9 %7,3 % Braunkohle 11,2 % 10,7 % 12,0 %11,3 %7,7 % Erneuerbare Energien 4,6 % 9,4 % 11,6 %13,8 %19,9 Kernenergie 12,5 % 10,9 % 7,9 %6,3 %0 % Sonstige 1,5 % 1,3 %0,4 %2,8 % Gesamt 14.244 PJ 14.057 PJ 13.757 PJ13.106 PJ10.542 PJ

Anteil der einzelnen Energiequellen an der Stromerzeugung in Deutschland: (XLS; 0,1 MB) BMWi

Stromerzeugung in TWh

Energiequelle 1990 1995 2000 2005 2010 201520182024Steinkohlen140,8147,1143,1134,1117,0117,783,227,4Braunkohlen170,9142,6148,3154,1145,9154,5145,579,2Mineralöl10,89,15,912,08,76,25,25,0Erdgas35,941,149,272,789,362,083,480,2Kernenergie152,5154,1169,6163,0140,691,876,00Windkraft an Landk. A.1,59,527,938,972,292,2111,6Windkraft auf See0,00,00,00,00,08,319,326,1Wasserkraft19,721,624,919,621,019,016,621,4Biomassek. A.0,71,611,529,144,645,744,1Photovoltaikk. A.0,00,01,311,738,446,275,1Geothermie0,00,00,00,00,00,10,20,2Müllk. A.1,31,83,34,75,86,25,6Andere19,317,722,623,826,627,327,017,4

Fossile Energieträger

Fossile Energieträger sind aus Biomasse entstandene Stoffe, die – durch Sedimentschichten von der Atmosphäre abgeschlossen – unter Sauerstoffabschluss verrottet sind und so ihre chemische Energie erhielten. Fossile Energieträger sind Kohle, Erdgas, Erdöl und Methanhydrat. Allen fossilen Energieträgern ist gemeinsam, dass sie nur in begrenztem Maß vorhanden sind und ihre Verwendung mit mehr oder weniger hohen CO2-Emissionen verbunden ist (siehe Treibhauseffekt, Klimawandel, Klimaschutz).

Kohlekraftwerke

mini|Braunkohlekraftwerk Niederaußem

Stein- und Braunkohle bildeten sich im Karbon bzw. Tertiär aus abgestorbenen Pflanzen, die im Morast absackten und langsam zusammengedrückt wurden. Der Prozess bei dem sich abgestorbenes organisches Material zuerst in Torf dann in Braunkohle und zuletzt in Steinkohle umwandelt wird als Inkohlung bezeichnet und ist durch Zunahme des relativen Kohlenstoffanteils gekennzeichnet. Daher hat Steinkohle einen höheren Heizwert als Braunkohle.

Steinkohle wird in Deutschland unter Tage in Stollen und Schächten abgebaut, während die weiter oben liegende Braunkohle nach dem Abräumen der Deckschichten (Abraum) im Tagebau abgebaut werden kann.

Kohle wird zur Stromerzeugung in Dampfkraftwerken verfeuert. Weiterhin wird Steinkohle in der Stahlherstellung und in geringem Umfang, wie auch Braunkohle, zum Betrieb von Wohnraumheizungen (Kohleöfen) verwendet.

Kohle ist ein heimischer Energieträger, sichert also Arbeitsplätze und vermindert die Importabhängigkeit. Außerdem ist Strom aus Kohlekraftwerken je nach Bedarf abrufbar, benötigt also keine Schattenkraftwerke zum Ausgleich von Schwankungen. Dies gilt für Braunkohlekraftwerke allerdings nur sehr eingeschränkt, da diese in der Grundlast, also mit konstanter Leistung betrieben werden. Heimische Steinkohle ist verglichen mit Importkohle sehr teuer und muss massiv subventioniert werden, um konkurrenzfähig zu bleiben.

Kohle ist als fossiler Energieträger nur in begrenztem Umfang vorhanden und als Grundstoff für die chemische Industrie eigentlich zu schade zum Verbrennen. Außerdem ist die Verbrennung von Kohle im Vergleich mit anderen fossilen Energieträgern mit vergleichsweise hohen CO2-Emissionen verbunden, da Kohle im Wesentlichen aus Kohlenstoff besteht. Die Verbrennung von Kohle ist zudem – bedingt durch die enthaltenen Verunreinigungen – mit relativ hohen Schadstoffemissionen (Schwefelverbindungen, Stickstoffverbindungen, Stäube) verbunden, die in modernen Kohlekraftwerken mit hohem technischen Aufwand reduziert werden. Der Tagebau bei der Braunkohle verursacht zunächst enorme Umweltschäden durch die Inanspruchnahme des Landes. Nach Jahrzehnten entstehen durch planmäßige Rekultivierung Flächen mit ähnlicher oder besserer Bodenqualität als vorher. Außerdem werden mit den auf der Braunkohle stehenden Siedlungen Kulturgüter zerstört. Nach der Verbrennung verbleiben Asche und Filterstäube, die fachgerecht entsorgt werden sowie Gips aus der Rauchgasentschwefelung, der heute in der Baustoffindustrie Verwendung findet.

Ein Kohlekraftwerk gibt auch im Normalbetrieb radioaktive Stoffe durch die Freisetzung der in der Kohle enthaltenen natürlichen Radioaktivität (40K, Uran, Thorium) mit der Abluft an die Umgebung ab. Bislang konnten jedoch keine schädlichen Belastungen für die unmittelbare Umgebung nachgewiesen werden.

Ölkraftwerke mini|hochkant|Erdölförderung in Sibirien mit einer Tiefpumpe

Erdöl entstand vor etwa 70 Millionen Jahren aus abgestorbenen Wassertieren und -pflanzen durch Sedimentation der Mikroorganismen in Verbindung mit mineralischen Schwebstoffen. Es besteht im Wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen. Typische Verunreinigungen sind Schwefel-Verbindungen, Schwefelwasserstoff und Stickstoff-Verbindungen. Erdöl wird zur Stromerzeugung in Dampfkraftwerken, als Ausgangsstoff für Treibstoffe (Benzin, Diesel), in Ölheizungen sowie als Grundstoff in der chemischen Industrie verwendet.

Strom aus Ölkraftwerken ist je nach Bedarf abrufbar, benötigt also keine Schattenkraftwerke zum Ausgleich von Schwankungen. In geringerem Maße als Kohle ist Erdöl aus der Nordsee ein heimischer Energieträger, er sichert so in einer strukturschwachen Umgebung Arbeitsplätze. Die Vorkommen in der Nordsee sind allerdings sehr begrenzt.

Erdöl ist als fossiler Energieträger nur in begrenztem Umfang vorhanden, und als essentieller und vielseitiger Grundstoff für die chemische Industrie (Grundstoff für Schmierstoffe, Kunststoffe und vieles andere) noch bei weitem wertvoller als der Grundstoff Kohle. Die Verbrennung von Erdöl erzeugt pro gewonnener Energieeinheit mehr CO2 als die Verbrennung von Erdgas, aber weniger als die Verbrennung von Kohle. Sie ist mit relativ hohen Schadstoffemissionen (Schwefelverbindungen, Stickstoffverbindungen) verbunden, die sich nur mit hohem technischen Aufwand verringern lassen. Erdöl ist ein Umweltschadstoff (Ölpest). Die Gewinnung von Erdöl führt zu Umweltbelastungen, sowohl bei der normalen Gewinnung (Lecks) als auch bei Tankerunglücken (siehe z. B. Exxon Valdez, Amoco Cadiz u. a.). Nach der Verbrennung verbleiben Filterstäube zur Entsorgung sowie Gips aus der Rauchgasentschwefelung.

Zudem besteht ein Problem in dem Peak-Oil genannten zeitlichen Fördermaximum. Ist der Peak erreicht, beginnt die Förderrate zu sinken. Dies führt bei gleich bleibendem oder steigendem Verbrauch zur Preissteigerung und eventuell zu Versorgungsengpässen.

Verbrennung von Erdgas Erdgas entstand zusammen mit dem Erdöl, es ist der unter normalen Temperaturbedingungen gasförmige Anteil der Umwandlungsprodukte. Erdgas besteht vorwiegend aus Methan (CH4). Typische Verunreinigungen sind Schwefel-Verbindungen, Schwefelwasserstoff und Stickstoff-Verbindungen. Erdgas wird zur Stromerzeugung mit Gasturbinen, zum Heizen und auch als Kraftfahrzeugtreibstoff (CNG) verwendet. Erdgas ist außerdem Ausgangsstoff für Synthesegas, das in der chemischen Industrie Verwendung findet (Methanol, Wasserstoff und Ammoniak).

Erdgas enthält im Vergleich zu Kohle und Erdöl erheblich weniger Verunreinigungen (z. B. Schwefelverbindungen), setzt daher bei der Verbrennung weniger Schadstoffe frei und ist somit ein vergleichsweise umweltfreundlicher fossiler Energieträger. Erdgas enthält zudem – chemisch gesehen – einen höheren Wasserstoffanteil als Kohle oder Erdöl und setzt daher bei gleichem Energieertrag weniger Treibhausgas CO2 frei. Allerdings ist unverbranntes Methan, der Hauptbestandteil von Erdgas, selbst ein sehr effektives Treibhausgas (siehe Treibhauspotenzial). Erdgas aus Leckagen fördert also ebenfalls den Treibhauseffekt.

Erdgas wird heute zur Stromerzeugung hauptsächlich in Gasturbinen- oder GuD-Kraftwerken (Gas- und Dampfkraftwerken) eingesetzt. Diese Kraftwerke erreichen sehr hohe Wirkungsgrade, 55 bis 60 %, und können im Gegensatz zu Kohle- oder Kernkraftwerken bei Bedarf sehr kurzfristig Strom liefern, sind also spitzenlasttauglich und können gut zum Ausgleich von Lastschwankungen, Kraftwerksausfällen oder Leistungsschwankungen, z. B. von Windkraftanlagen, eingesetzt werden.

Verbrennung von Methanhydrat