Energie und Effizienz unterliegen äußeren Einflüssen

Die vielfältigen Erscheinungsformen der Energie hängen vom ausgebeuteten Energieträger, der Nutzungsmethode und den äußeren Bedingungen ab. Direkte Energie entsteht beim Verbrennen von Erdgas. Der Brennwert des Gases wird ausgebeutet. Wenn das Gas beschleunigt wird oder in einer unterschiedlichen Verdichtung durch Druck verbrennt, ändert sich der Ausnutzungsgrad. Im Ergebnis entsteht potentielle Energie, die je nach Anlage und Methodik mehr oder weniger vollständig zu Wärme umgewandelt wird. Bewegungsenergie wird als kinetische Energie bezeichnet. Sie beschreibt die notwendige Menge an Energie, um eine mechanische Arbeit in Gang zu setzen. Die variable potentielle Energie entsteht aus Faktoren wie Fallhöhen und sich verändernden Einflüssen von externen Energieformen. Typisches Beispiel ist das Einwirken der Erdanziehung auf mechanische Vorgänge. Sie erhöht die Ausbeutungsfähigkeit, wenn sie die Bewegung durch den gleichen Richtungsverlauf unterstützt. Wasser in einer Talsperre fällt stärker, wenn der Wasserspiegel und damit auch die entstehende Leistung steigt. Umgekehrt verliert Ausgangsenergie beim mechanischen Ausnutzen entgegen der Erdanziehung durch höheren "Kraftbedarf" an Effizienz. Statt sich ebenerdig und waagerecht ausbeuten zu lassen, muss sie zusätzliche Kraft "bergauf" leisten.

Energie wird zu Bewegung

Die Energien, aus denen Bewegung entsteht, definieren sich als kinetische Energie. Es handelt sich um die Energiemenge, die aufgewendet wird, um mechanische Arbeit in Gang zu setzen. Anschaulichstes Beispiel ist ein Motor, der mit einem Brennstoff oder Elektrizität gespeist wird. Aus dem Energieträger wird eine Antriebskraft gewonnen, die über Bauteile wie Hebel und Wellen konkrete Bewegungen übertragen. Elektrische Energie stammt in von Drittstoffen angetriebenen Turbinen, aus chemisch-physikalischen Vorgängen wie molekularen Reaktionen, Atomladungen, Magnetismus und elektrische Spannung. In Turbinen wie in einem Wasserkraftwerk wird kinetische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Die Veränderung der Energieformen ist in beide Richtungen möglich. Auf chemisch-physikalische Art funktioniert die Ausnutzung des Sonnenlichts. Die im Licht und in der Wärmekraft enthaltenen Energien werden als erneuerbare Energien genutzt, um in Solarzellen und Panels abrufbare elektrische Spannung zu erzeugen. In fast allen Umwandlungsprozessen der Energieformen entsteht immer auch Wärme. Ein elektrisch betriebener Motor wir warm oder heiß. Um diese automatisch bei Bewegung entstehende Abwärme nicht als Energieverlust rechnen zu müssen, wird die Kraft-Wärme-Kopplung eingesetzt.

Reibungsverluste in den Prozess einbeziehen

Bei der Kraft-Wärme-Kopplung erweitert sich die physikalische Ausbeutung. Außer den chemischen, kinetischen, potenziellen Energiearten erweitert sich der Umwandlungsprozess auf thermische Energie. Elektrische Energie und mechanische Arbeit werden zusätzlich abgeschöpft. Der Anteil, der durch die potentielle Energie als stille Reserve verloren geht, erhöht sich. In einem Heizungssystem, das seine eigene Abwärme nutzt, senkt den Energieverbrauch im eigentlichen Umwandlungsprozess.

Ein Automotor liefert die Wärmeabschöpfung für das Heizen im Winter gleich mit. Im Sommer geht diese Energiereserve einfach verloren, wenn sie nicht technisch eingefangen wird. In der Kraft-Wärme-Kopplung Kopplung wird diese Wärmeenergie in den Kreislauf einbezogen und wiederum verwertet. Auf diese Weise reduzieren sich die Mengen im primären Kreislauf und schon aus geringen und ungleichmäßigen Liefermengen durch erneuerbare Energien entstehen ausreichende Energiemengen für die benötigten Energieformen. Neben der Aufgabe der direkten Ausbeutung und Umwandlung einer Energieform in eine andere, sind die Verluste in und während dieses Prozesses der entscheidende Faktor für die Effizienz, den Energieverbrauch und die Wirtschaftlichkeit bei der Energiegewinnung.

Jeder Transport und jede Umwandlung kostet Energie

Erneuerbare Energien wie Erdwärme, Sonnen-, Wasser- und Windkraft lassen sich nur mit schwankender Intensität und unregelmäßig ergiebig ausbeuten. Ökostrom muss oft aus akut geringen Einspeisungsmengen gewonnen werden. Umso wichtiger ist es, zumindest alle Energieformen, die enthalten sind, auszunutzen.

Mit der Kraft-Wärme-Kopplung Kopplung sind auch Speichereinheiten auffüllbar. Sie überbrücken die Zeiten, in denen der primäre Energiefluss sinkt und aussetzt.

Energieverbrauch setzt sich auch aus den Umwandlungswegen zusammen. Hohe Verluste entstehen, wenn elektrische Energie in Wärme umgewandelt wird. Abgesehen von Infrarotheizungen sind elektrische Heizkörper in ihrer Energiebilanz unrentabel. Der Energieverbrauch für benötigte und relevante Heizergebnisse ist in vielen Fällen durch Ökostrom aus Anlagen, die erneuerbare Energien nutzen, schon technisch kaum bereitzustellen. Um Strom zum Heizen zu benutzen, muss der erst aus Bewegung oder chemisch-physikalischen Vorgängen gewonnen und produziert werden.

Die Wege der Energieformen, von der Erzeugung bis zum Verbrauch

• Eine Turbine im Wasserkraftwerk erzeugt durch mechanische Arbeit elektrische Spannung und elektrische Energie und Ökostrom
• Im Kohlekraftwerk entsteht aus Verbrennungshitze, als kinetische Energie, Elektrizität
• Die elektrische Energie wird in Stromform durch Leitungen zur Verbrauchsstelle geleitet. Auf dem Weg verliert der Stromfluss Energie, beispielsweise durch die Wärmeabgabe in Kabeln
• An der Steckdose wird der Strom und die elektrische Spannung in einem Heizgerät unter weiteren Energieverlusten in thermische Energie umgewandelt

Kleine Kraft auf kurzen Wegen

Weite Wege erhöhen jeden Energieverbrauch für eine fest definierte Leistung beim Strom abzapfen. Eine technisch vorteilhafte Lösung ist das Begrenzen von Wegen. Die Umwandlung der Formen zum größten Teil oder idealerweise sogar vollständig am Ort des Verbrauchs erhöht den Ausbeutungsgrad jeder der Energien, ob elektrische Spannung, kinetische Energie, mechanische Arbeit, potenzielle Energie oder thermische Energie. Dieser Ansatz ist bei Ökostrom nicht zwingend gegeben. Ökostrom wird nicht aus fossilen Brennstoffen wie Kohle, Erdgas und Erdöl gewonnen. Auch erneuerbare Energien lassen sich weit transportieren. Der Energieträger ist erneuerbar, hat aber in der Gesamtbilanz eine gegenüber der lokalen Erzeugung reduzierte Effizienz. Strom und Wärme, die auf dem Dach des Gebäudes, wo es genutzt wird, erzeugt wird, reicht wegen der geringeren Verluste bereits in kleineren Mengen aus. Wenn erneuerbare Energien zusätzlich ohne brachliegende potenzielle Energie mittels Kraft-Wärme-Kopplung Kopplung optimiert ausgebeutet werden, sind ökologische und ökonomische Vorteile problemlos kombiniert.

Die Energieträger und deren Eigenschaften

Strom- und Wärmeerzeugung auf dem Dach

Perspektiven der Energiesituation