Im Folgenden werden einige wichtige Grundbegriffe im Kontext der Energieversorgung behandelt. Es werden die wichtigsten Komponenten und Subsysteme prinzipiell erklärt, aus denen ein System zur Energieversorgung aufgebaut ist. Außerdem werden auch noch die Begriffe „Energieträger“ und Energiewandler ausführlicher diskutiert, weil sie in dem Kontext der Energieversorgung auch noch der Begriff wichtige Rolle spielen.
Überblick
Ein System zur Energieversorgung besteht aus Energiequellen, Energiespeichern, Energieübertragungen und Nutzern. Diese Begriffe sind in der Analogie zum Wasser sofort verständlich: Das Wasser tritt aus der Quelle aus, wird in einem Stausee gespeichert, durch eine Rohrleitung übertragen und irgendwann beispielsweise zum Haare Waschen oder Trinken genutzt.
Bevor die Begriffe genauer erklärt werden, wollen wir sie uns durch eine bekanntes Beispiel veranschaulichen, nämlich anhand der Energiequelle Holz: die Quelle ist der Baum im Wald, der Speicher der Holzstapel, transportiert wird es beispielsweise auf einem Anhänger und genutzt in einem Ofen oder einen offenen Kamin, wobei entweder das Haus geheizt oder Speisen zubereitet werden können.
Von diesen Komponenten kann es jeweils eine oder mehrere, in gleicher oder unterschiedlicher Art geben. Währende die Energieübertragung und die Energiespeicher physikalisch sauber gefasste Begriffe sind, sind die Energiequellen und die Nutzung Begriffe, die ursprünglich aus der Energiewirtschaft oder dem normalen Sprachgebrauch kommen. Ebenso ist der Begriff Energieträger vom Wesen her kein Begriff aus der Physik, sondern aus der Energiewirtschaft.
Energiespeicher, Energiewandler und Energieübertragung
Wir beginnen hier mit den Begriffen, die physikalisch präzise gefasst sind, nämlich Energiespeicher, Energiewandler und Energieübertragung. Anschaulich erklärt ist ein Energiespeicher oder Energiepuffer ein System, das eine gewisse Reserve, also einen gewissen Vorrat an Energie aufnimmt. Dieser Bestand dient dafür, einen späteren Bedarf zu decken. Physikalisch gesehen kann jedes System Energie aufnehmen, die Energie ist dann in dem System gespeichert und die kann auch wieder abgegeben werden. Das ist über den Energieerhaltungssatz sehr einfach verständlich.
Technisch und energiewirtschaftlich gesehen sind natürlich nur solche Energiespeicher von Interesse, aus denen man die Energie in einer einfachen Form wieder entnehmen kann und diese entnommene Energie in einer Form vorliegt, die einfach für einen beabsichtigten Zweck nutzbar ist. Beispiele in der Analogie des Wassers sind See oder ein Glas mit Wasser. Hier kann Wasser in einfacher Weise eingefüllt werden und wieder ausgegossen werden, bei einem See kann das Wasser zu- oder abfließen. Beispiele für Energiespeicher sind Stauseen und Batterien, die auch in ein Gerät integriert sein können, z. B. die Batterie eines Telefons.
Ein Energiewandler wandelt Energie von einer in eine andere Form um, wie der Name schon sagt. D. h., der Energiewandler ist ein System, in dem die Energie in einer anderen Form abgegeben wird, als sie aufgenommen wird. Die Energie fließt in einer anderen Form ab, als sie zufließt. In der Analogie des Wassers wäre das zum Beispiel die Verdunstung von Wasser beim Trocknen von Haaren oder Wäsche: Wasser wird in flüssiger Form zugeführt, verdunstet durch die warme Luft des Haartrockners und wird in gasförmiger Form abgeführt. Bei der Herstellung von Eiswürfeln wird flüssiges Wasser verwendet, also Wasser in flüssiger Form zugeführt und in fester Form abgeführt. Im Glas schmelzen sie wieder zu Wasser, da läuft der Vorgang umgekehrt.
Beispiele für Energiewandler sind Wasserkraftwerke, die die mechanische Energie des Wassers in elektrische Energie umwandeln, und Photovoltaik-Anlagen, die die von der Sonne eingestrahlte Energie in elektrische Energie umwandeln. Im Bild des Wasserkraftwerks sieht man auf der rechten Seite die Wasserrohre, durch die die mechanische Energie zufließt und auf der linken Seite die Elektroleitungen, durch die die elektrische Energie abfließt.
Wir kommen zur Energieübertragung: Normalerweise gibt es einen wichtigen Beweggrund für den Einsatz, die Nutzung der Energie. Deshalb wollen wir sie zielgerichtet dorthin übertragen, wo die Nutzung stattfindet. Bei der Energieübertragung wird die Energie von einem zu einem anderen Ort, von einem zu einem anderen Gegenstand, von einem zu einem anderen System übertragen. Im Sinne der Energieerhaltung ist das sehr leicht zu verstehen: was von dem einen System abgegeben wird, muss von dem anderen aufgenommen werden. In der Analogie zum Wasser ergeben sich hier auch sehr schöne einfache Bilder wie zum Beispiel ein Rohr, ein Wasserschlauch oder ein Fluss. Die Energieübertragung erfolgt beispielsweise elektrisch über Leitungen oder über den Transport von brennbaren Flüssigkeiten mit Tanklastzügen.
Energiequellen und Energienutzung
Bei den Energiequellen ist die Sachlage etwas anders, weil es ja im Sinne der Energieerhaltung streng genommen überhaupt keine Quelle geben dürfte. Die Energie kann ja eigentlich nicht erzeugt werden, sie kann nicht aus dem Nichts entstehen. Man sieht daran schon, dass dieser Begriff „Energiequelle“ ursprünglich nicht aus der Physik, sondern aus dem normalen Sprachgebrauch und der Energiewirtschaft kommt. Es gibt zwei Arten von Energiequellen, nämlich Energiewandler und Energiespeicher. Manchmal werden auch die „Energieträger“ als Energiequellen bezeichnet. Diese Energieträger werden weiter unten noch genauer behandeln.
Ein Sonderfall einer Energiequelle ist ein Kraftwerk. Und einem Kraftwerk versteht man meist eine größere Anlage, in der eine zugeführte Energieform (z. B. mechanische Energie von bewegtem Wasser beim Wasserkraftwerk) in elektrische Energie umgewandelt wird und in ein Stromnetz eingespeist wird. Darüber wird dann ein größeres Gebiet mit elektrischer Energie versorgt.
Viele Energiequellen sind Energiewandler, die eine zugeführte Energie in eine andere Energieform wandeln und diese dann wieder abgeben, ähnlich wie die Kraftwerke. Beispiele hierfür sind Fotovoltaikanlagen, die die von der Sonne eingestrahlte Energie in elektrische Energie umwandeln oder Wasserkraftwerke, die die mechanische Energie des Wassers in elektrische Energie umwandeln. Dabei kann auch die abgegebene Energie in mehreren Energieformen abgegeben werden. In den genannten Beispielen Fotovoltaik und Wasserkraftwerke ist es auch so: sie geben die aufgenommene eingestrahlte oder mechanische Energie wieder in zwei Energieformen ab, nämlich einerseits in Form von elektrischer Energie, und andererseits zu einem weiteren, unerwünschten Teil in Form von Wärme. Die Solarzellen und die Generatoren geben dabei die Wärme an die Umgebung oder an eine Kühlvorrichtung ab.
Logischerweise kann von einem Wandler nur genauso viel Energie abgegeben werden, wie aufgenommen wird. Dementsprechend schwankt die von dem Energiewandler (pro Zeiteinheit) abgegebene Energiemenge mit der Zeit. Diese pro Zeiteinheit abgegebene Energiemenge kann damit nicht beliebig gesteuert werden, sondern hängt von der zugeführten Energiemenge ab. Je mehr die Sonne einstrahlt, desto mehr geben die Fotovoltaik-Anlagen in Form von elektrischer Energie ab. Die stärker der Wind weht, desto mehr geben die Windturbinen in Form von elektrischer Energie ab.
Die zweite wichtige Art von Energiequellen sind Energiespeicher. Hierzu zählen wir auch die materiellen Energieträger, die wir weiter unten noch behandeln. Diese Energiespeicher waren in der Vergangenheit als Energiequelle beliebter als die Wandler, weil die Energie aus dem Speicher immer nach Bedarf entnommen werden kann. Die Energiequellen, die zugleich ein Speicher sind, beinhalten ein Vorrat für die Zukunft. Demnach muss der zukünftige Bedarf nicht so genau bekannt sein, man kann immer so viel entnehmen, wie man gerade benötigt.
Bei der Energienutzung wird die Energie umgesetzt, um bestimmte technische Vorgänge ablaufen zu lassen. So wird beispielsweise für die Beleuchtung eines Hauses elektrische Energie aufgenommen und in Strahlung in Form vom sichtbaren Licht umgewandelt und damit das Haus beleuchtet. Oder es wird einer Heizung chemisch gebundene Energie in Form von Erdgas zugeführt, das Erdgas wird in Brenner verbrannt und in Wärme umgewandelt, die an das Haus abgegeben wird, um das Haus zu heizen.
Energieträger
Ein weiterer wichtiger Begriff in diesem Zusammenhang ist der Energieträger. Der Energieträger wird in unterschiedlichen Bedeutungen in der Literatur verwendet. Man kann diese unterschiedlichen Bedeutungen und diesen unterschiedlichen Sprachgebrauch besser verstehen, wenn man sich die Bedeutung des Wortes „tragen“ bewusst macht. So hat das Wort „tragen“ bei einer schwangeren Frau, die ein Kind in sich „trägt“, eine andere Bedeutung, als wenn man verschiedene Gegenstände von einem Ort zum anderen trägt. Bei der schwangeren Frau bedeutet tragen, dass sie das Kind als Bestandteil ihrer selbst beinhaltet. Bei den Gegenständen, die man von einem Ort zum andern trägt, ist nicht gemeint, dass diese Gegenstände irgendwo beinhaltet sind, sondern dass sie von einem Ort zum anderen transportiert, also „übertragen“ werden.
Dementsprechend gibt es auch unterschiedliche Bedeutungen des Wortes „Energieträger“ in der Literatur. Weitgehend einheitlich verwendet wird die Bezeichnung „Stoffe und Objekte, die Energie enthalten“. Wenn wir uns aber an grundsätzliche Überlegungen der Energie erinnern, also dass jeder Körper und jedes System eine bestimmte Menge Energie enthält, dann wäre ja jeder Körper und jedes System und jeder Gegenstand in Grunde ein Energieträger.
Gemeint sind aber meist Stoffe oder Objekte, die „viel“ Energie enthalten, wobei das Wort viel hier noch genauer zu definieren ist. In Analogie zu dem oben genannten Beispiel mit der schwangeren Frau ist gemeint, dass die Energie quasi in dem betrachteten Stoff oder dem Objekt inhärent enthalten ist. Meist wird hier mit einer „Energiedichte“ argumentiert, d.h. die enthaltene Menge Energie bezogen auf die Masse oder das Volumen des der betrachten Substanz oder des betrachten Stoffes.
Außerdem hat ein Energieträger meist die Eigenschaft, dass die enthaltene Energie in einer einfachen Weise abgegeben werden kann und vor allen auch in einer einfachen Art und Weise genutzt werden kann. Beispiele für Energieträger sind brennbare Flüssigkeiten, Holz, Batterien und Nahrung.
Diese Energieträger können einfach und dauerhaft gespeichert werden, d. h. es gibt meist große Speicher ohne Selbstentladung. Diese Eigenschaften werden oft unter dem Begriff „Lagerfähigkeit“ zusammengefasst. Entscheidend ist jedoch dabei, dass wir mit akzeptablen Aufwand einen sehr großen Speicher realisieren können und dass sich dieser Speicher nicht zu schnell von selber entlädt. In der betrachteten Analogie zum Wasser wäre ein solcher Speicher eine Flasche, ein Kanister oder ein großes Becken.
Die eben behandelten Energieträger werden als materielle oder stoffliche Energieträger bezeichnet. Hier entscheiden wir uns für die Bezeichnung materielle Energieträger. Wenn es nicht ausdrücklich anders genannt ist, werden hier nur materielle Energieträger betrachtet. Eine weitere Eigenschaft, die bei den materiellen Energieträger an eine Rolle spielt, ist die Transportfähigkeit. So kann zum Beispiel eine brennbare Flüssigkeit gut in Leitungen oder in Tanklastzügen transportiert werden. Brennholz kann zum Beispiel auf der Ladefläche eines Anhängers transportiert werden.
Jetzt kommen wir zu der zweiten großen Klasse von Energieträgern, die sich von den materiellen Energieträgern deutlich unterscheidet: Es werden nämlich die Möglichkeiten zur Energieübertragung auch als Energieträger bezeichnet. Diese Energieträger sind keine materiellen Energieträger und sie entsprechen nicht der schwangeren Frau, sondern dem Transport von Gegenständen, die von einem zum nächsten Ort getragen werden. Diese Art von Energieträgern können zutreffender und eindeutiger als „Energieübertragung“ bezeichnet werden. Beispiele hierfür sind Strahlung (Licht, Wärmestrahlung), Wind, elektrischer Strom (der auch pauschal als „Elektrizität“ bezeichnet wird) oder fließendes Wasser.
Physikalisch macht es einen großen Unterschied, ob man vom einer Energieübertragung oder von einem materiellen Energieträger spricht. Die „Energieübertragung“ kann meistens nicht gespeichert werden. So gibt es beispielsweise kein keine technischen Speicher für für Sonnenstrahlung oder für fließendes Wasser, ebenso wenig für Wind.
Schlussbemerkung
Wir sehen also, es beim Thema Energie verschiedene Begriffe unterschiedlichen Ursprungs gibt: einerseits exakt definierte physikalische Begriffe, andereseits unterschiedlich verwendete umgangssprachliche Begriffe. Insbesondere gibt es zwei grundsätzliche unterschiedliche Arten von Energieträgern, nämlich die materiellen Energieträger und die Energieübertragung. Wenn man jedoch beides ohne weitere Spezifizierung als Energieträger bezeichnet, also unterschiedliche Phänomene mit dem gleichen Begriff bezeichnet, kann das zu erheblichen Missverständnissen führen. Es ist wichtig, zwischen der gespeicherten Energie und der Übertragung zu unterscheiden. Dann ist nicht nur eine Kommunikation zum Thema Energie ohne Missverständnisse möglich, sondern man kann auch dadurch logische abstrakte Überlegungen anstellen und neue Konzepte entwickeln.
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