Einleitung
Es gibt ein Zauberwesen in unserer Welt, das wir alle kennen und fleißig nutzen, das zugleich aber gar nicht so einfach zu fassen ist ... Wie manch andere Zauberwesen ist es ein echter Verwandlungskünstler und tritt in sehr unterschiedlichen Formen auf: Mal wärmt es uns, mal sprüht es Funken, mal schmeckt es gut, mal steht es nur da und mal lässt es Dinge durch die Luft fliegen. Was für ein Zauberwesen das sein soll? Die Rede ist von der Energie – und in die zauberhafte Welt der Energie nehmen wir dich jetzt mal mit.
Verwandlungskünstler in deinem Alltag
Fangen wir mit der Frage an, welche Formen das Zauberwesen Energie annehmen kann und wie es sich von einer Form in andere verwandeln kann. Gerade noch steckte die Energie in einer Batterie, schon bringt sie auf Knopfdruck eine Taschenlampe zum Leuchten und fliegt als Licht durch die Welt. In deinem Handyakku schlummert sie – und schon kannst du damit durch die Gegend funken und Nachrichten versenden oder telefonieren. Eben noch bewegte die Energie des Windes ein Windrad – und schon erzeugt es elektrischen Strom. Oder das energiereiche Frühstück hilft dir, anschließend mit Muskelkraft auf dem Fahrrad zur Schule zu kommen.
Durch solche Verwandlungen kann Energie vielfältige Dinge bewirken und das ist wohl ihre großartigste Eigenschaft. Genau das macht Energie nämlich extrem nützlich und begehrt. In all den Beispielen oben passiert etwas, das durch Energie bewirkt wird: Die Batterie erzeugt Licht, das Smartphone empfängt und sendet Daten, das Windrad liefert Strom für die Waschmaschine – und die in der Nahrung enthaltene Energie wird in Bewegung verwandelt. Wenn wir das Zauberwesen Energie verstanden haben und richtig einsetzen, können wir damit tolle Dinge machen.
Ach ja, unser Zauberwesen hat noch eine weitere ziemlich verblüffende Eigenschaft: Es lebt ewig. Ja, wirklich, denn bei der Umwandlung von Energie von einer Form in eine andere geht nichts verloren. In ihrer ursprünglichen Form ist die Energie natürlich nicht mehr vorhanden, dafür aber nun in einer oder mehreren anderen Formen. Die Energiemenge bleibt immer die gleiche. Sie bleibt also erhalten und wir nennen das deshalb Energieerhaltung. Zu all diesen Eigenschaften zeigt dir unsere Physikerin Sina nachher im Video ein paar schöne Beispiele.
So, jetzt aber erst einmal zu dir: Überleg mal, welche Formen von Energie du kennst und wo sie im Alltag vorkommen. Schreib sie dir auf. Findet dabei auch eine Umwandlung wie in unseren Beispielen statt? Geh mal in Gedanken einen ganz normalen Schultag durch und denk nach, wo dir Energie begegnet. Und was wäre los, wenn dir keine Energie zur Verfügung stehen würde?
Die verschiedenen Formen von Energie
Üblicherweise unterscheidet man folgende Energieformen:
Das sind also sozusagen die magischen sieben Formen des Zauberwesens Energie. ;-)
Gehen wir diese Energieformen mal der Reihe nach durch. Ein Stein, den man auf einen Berg hochgerollt hat, besitzt Lageenergie. Damit ist gemeint, dass man ja vorher Energie aufwenden musste, um ihn da hoch zu bekommen. Jetzt liegt er oben und hat die Energie in seiner Lage gespeichert. Ähnlich ist es bei einer gespannten Feder im Kugelschreiber – und weil man die Feder vorher mit etwas Aufwand spannen musste, nennt man das Spannenergie. In beiden Fällen schlummert die Energie jetzt: Sie ruht gewissermaßen im Stein oder in der Feder. Es wäre aber möglich, sie zu befreien: Du schubst den Stein an und er rollt den Berg runter oder du entspannst die Feder und sie dehnt sich schlagartig aus. Weil das möglich ist, nennt man diese Energieform – egal ob Lageenergie oder Spannenergie – „potentielle Energie“.
Wenn der Stein dann rollt oder die Feder nach vorne schießt, haben wir es mit Bewegung zu tun. Deshalb spricht man von Bewegungsenergie. Auch ein fahrendes Auto besitzt Bewegungsenergie, ebenso ein fallender Regentropfen.
Thermische Energie – also Wärme – steckt mehr oder weniger in jedem Material, das uns umgibt: sei es in der Hauswand oder in der Luft, die von der Sonne erwärmt wurden.
Chemische Energie steckt in vielen Dingen und kann durch chemische Reaktionen freigesetzt bzw. umgewandelt werden. Sie ist nicht nur in Dynamit oder Benzin enthalten, sondern zum Beispiel auch in Schokolade. Tja, da staunst du! Wenn du Schokolade isst, kann dein Körper ihre Energie umwandeln – etwa in Körperwärme oder beim Rennen in Bewegung. Du hast ja vielleicht schon mal gehört, dass Lebensmittel Kalorien oder Joule (das ist nur eine andere Messeinheit) enthalten. Unser Körper nutzt diese Energie – etwa wenn wir Sport treiben: Da geht ein Teil der Energie in die Bewegung über, einen anderen Teil geben wir als Wärmeenergie ab – und schwitzen.
Elektrische Energie wird in einem Dynamo oder in einem Kraftwerk erzeugt und über Kabel bis zur Steckdose transportiert. Dort steht sie uns dann sehr bequem für viele Anwendungen zur Verfügung.
Die Sonne liefert uns Strahlungsenergie, ebenso eine LED-Leuchte, aber auch dein Handy sendet und empfängt Strahlungsenergie.
Kernenergie schließlich ist in Atomkernen gebunden und kann durch Kernreaktionen freigesetzt werden. Kernreaktionen sind übrigens die Ursache, warum die Sonne „brennt“ und uns eine großzügige Menge an Strahlungsenergie liefert.
Wie Energie umgewandelt wird
Es gibt viele Beispiele, wie all diese Formen ineinander umgewandelt werden. Man kann sogar ganze Ketten von Umwandlungen finden. Ein einfaches Beispiel kannst du bei dieser Animation ausprobieren: Du darfst da sogar in einer Halfpipe skaten! Spiel mal ein bisschen rum und ändere zum Beispiel die Reibung der Rollen auf dem Boden und sieh, was passiert.
Ein Beispiel für eine ganze Kette von Umwandlungen mit mehreren Energieformen wäre das hier: Die Sonne liefert Licht, das Pflanzen auf der Erde aufnehmen. Sie produzieren damit leckeres Obst oder frischen Salat. Das essen wir, um mit Muskelkraft auf dem Fahrrad einen Weg hoch zu radeln. Von oben lassen wir uns runterrollen – und zwar mit eingeschaltetem Dynamo, der so Strom für die Beleuchtung der Straße vor uns liefert. Die Kette geht also von der Sonne über Obst und Salat durch unseren Körper auf den Berg hoch und mit eingeschaltetem Fahrradlicht wieder runter. Benenne mal die Energieformen, die in dieser Kette vorkommen! Und überleg, ob die gesamte Energie bis zum Ende der Kette angekommen ist oder ob unterwegs etwas Energie … nein, nicht verloren gegangen ist, aber woanders hin abgegeben wurde. Denk dabei an die Anstrengung, als du mit dem Fahrrad den Weg hochgeradelt bist. Und fühl auch mal nach der Abfahrt den Reifen an – und zwar da, wo der Dynamo das Rad berührt hat. Eine Auflösung zu dieser kleinen Denksportaufgabe findest du hier. Aber nicht gleich nachsehen – sonst macht’s ja keinen Spaß!
Bei diesen Umwandlungsschritten wurde ein Teil der ursprünglichen Energie nicht in die gewünschte neue Form umgewandelt: Eigentlich willst du ja nur das Fahrrad vorwärts bewegen – aber durch die Anstrengung schwitzt du und gibst dadurch etwas Energie in Form von Wärme an die Umgebung ab. Das ist ähnlich wie in der Animation mit der Halfpipe, wo die Bewegung des Skateboards durch die Reibung abgebremst wird. Je mehr Reibung dabei auftritt, desto mehr wärmen sich die Rollen auf – was ja eigentlich nicht der Zweck der Übung ist. Auch Kraftwerke, die Strom erzeugen sollen, produzieren nebenbei Wärme. So etwas ist bei der Umwandlung von Energie oft nicht ganz zu vermeiden – jedoch versucht man natürlich, möglichst viel in der neuen Form zu erhalten. Je besser das gelingt, desto effizienter ist die Umwandlung. Das Ergebnis ist dann beispielsweise ein sparsamer Kühlschrank oder ein PC mit geringem Stromverbrauch. Ein gutes Beispiel noch: Glühbirnen waren früher richtige „Verschwender“. Eigentlich sollten sie Licht erzeugen, aber sie wurden auch enorm heiß. LED-Leuchten sind dagegen viel effizienter und verwandeln den Strom in Licht, ohne allzu heiß zu werden.
In unserem Alltag nutzen wir vielfältige Möglichkeiten der Energiewandlung – für den Transport, zur Heizung, zur Produktion, zur Kommunikation oder Unterhaltung. Das macht unheimlich viel möglich und führt zu einem ziemlich komfortablen Leben.
Aber nun zeigt uns Sina erst einmal, was man mit Energie so alles anstellen kann!
Woher die Energie kommt und wofür wir sie einsetzen
Nun lass uns mal schauen, wofür wir Energie so einsetzen. Folgen wir nochmal einem normalen Tagesablauf. Der Wecker klingelt – dabei verwendet er Strom als elektrische Energie und wandelt sie in Schall um. Die Töne, die der Wecker von sich gibt, sind ja Schallwellen, die die Luft bewegen. Es handelt sich also um Bewegungsenergie. Du stehst auf und schaltest das Licht an – hierfür nutzt du Strom, der in einer LED-Leuchte Licht, also Strahlungsenergie erzeugt. Vielleicht checkst du dann erstmal deine Nachrichten – natürlich mit Hilfe der elektrischen Energie des Handyakkus. Anschließend gehst du duschen – meist wurde dabei das Wasser durch die Verbrennung von Gas oder Öl oder auch durch Strom erwärmt. Aber selbst kaltes Wasser fließt nicht von alleine, es kann nur mit Hilfe großer Pumpen aus dem Duschkopf sprudeln! Dein mit Wärmeenergie gebackenes Brötchen oder Brot liefert dir dann gemeinsam mit Marmelade oder Käse – genauso übrigens wie ein gesundes Müsli – chemische Energie für den Tag, zumindest aber bis zur großen Pause. Es folgt der Weg zur Schule – sagen wir diesmal mit dem Bus. Hierbei wird chemische Energie aus Kraftstoff in Bewegungsenergie umgesetzt.
Weiter brauchen wir solch einen Tag gar nicht zu beschreiben. Es dürfte klar geworden sein, welch zentrale Rolle Energie in verschiedenen Formen in unserem Leben spielt! Und das gilt nicht nur für dich, sondern für das ganze Land, ja für die ganze Welt. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erfassen regelmäßig, wie viel Energie in Deutschland für welche Zwecke eingesetzt wird. In Privathaushalten wird etwas mehr als die Hälfte zur Wärmeerzeugung eingesetzt (heizen, kochen usw.), mehr als ein Drittel für den Transport (also Auto, aber auch Bahn und Flugzeug) und nur gut ein Zehntel in Form von Strom (also zum Beispiel für Licht, den Kühlschrank, die Waschmaschine, den Herd oder den PC). Wenn man nicht nur die Privathaushalte, sondern ganz Deutschland mit der Industrie und dem ganzen Verkehr betrachtet, so ergibt sich folgendes Bild:
Wenn so viel Energie genutzt wird, ist natürlich eine wichtige Frage: Woher stammt denn all die Energie, die wir täglich umwandeln und nutzen? Denn wir alle wissen: Manche Energiequellen sind umweltfreundlicher als andere. Etwa 35% unseres Energiebedarfs decken wir durch Erdöl, 25% durch Erdgas und knapp 20% durch Kohle. Erneuerbare Energiequellen wie Sonnen-, Wasser- und Windenergie tragen immerhin ca. 15 % zu unserer Versorgung bei und Kernkraft zurzeit noch ca. 6 %.
Damit du verstehst, wie Kraftwerke überhaupt Strom erzeugen, hier eine Grafik:
Das Bild zeigt dir, wie ein Kraftwerk funktioniert – und zwar eines, in dem hohe Temperaturen am Anfang des Prozesses stehen. Es geht also nicht um eine Windkraftanlage, sondern um ein Kraftwerk, in dem beispielsweise Kohle verbrannt wird. Dadurch werden hohe Temperaturen erzeugt, um Wasser verdampfen zu lassen. Der Dampf treibt mit seinem hohen Druck eine Turbine an und die Turbine treibt wiederum einen Generator an, der (so ähnlich wie ein Fahrrad-Dynamo) schließlich den Strom erzeugt. Die Kunst besteht darin, aus der zugeführten Wärme möglichst viel Strom zu gewinnen. Und es kommt natürlich darauf an, dass das umweltfreundlich geschieht. Bei der Verbrennung von Kohle oder Erdgas (und auch Öl) entstehen schädliche Abgase. Wenn man aber zum Beispiel die Sonnenwärme nutzt, um die hohen Temperaturen zu erzeugen, passiert das nicht.
Auswirkungen auf die Umwelt
Die Nutzung der verschiedenen Energiequellen hat auch Auswirkungen auf die Umwelt, die teilweise ziemlich schädlich und daher unerwünscht sind. Vor allem belasten manche mit den Abgasen, die dabei entstehen, unser Klima. So setzt die Verbrennung der sogenannten „fossilen“ Energieträger – das sind Kohle, Öl und Gas – Kohlenstoffdioxid frei, das zum Treibhauseffekt und damit zur Erwärmung der Atmosphäre beiträgt. Um das Klima der Erde nicht weiter zu schädigen, müssen wir deren Nutzung daher möglichst schnell beenden.
Die Nutzung der Kernenergie ist zwar weitgehend klimaneutral, produziert aber radioaktive Abfälle, die gefährlich für Mensch und Umwelt sind. Und der Betrieb der Kernkraftwerke birgt das Risiko von Unfällen, die große Flächen radioaktiv verseuchen können. Aufgrund der schweren Unfälle in den Kernkraftwerken von Tschernobyl und Fukushima hat Deutschland daher beschlossen, hierzulande alle Kernkraftwerke bald stillzulegen.
Auch die Nutzung der erneuerbaren Energiequellen ist zwar nicht ganz ohne Nebenwirkungen, aber im Vergleich sind diese relativ harmlos. Solaranlagen und Windkraftanlagen benötigen Platz, sie beeinflussen das Landschaftsbild und ihre Herstellung kostet selbst erst einmal Energie und Ressourcen. Der Anbau von Biomasse für Biogasanlagen nimmt Ackerflächen in Anspruch, die oft mit Insektiziden besprüht werden. Außerdem können auf diesen Feldern dann keine Pflanzen für die Ernährung angebaut werden.
Hmm, das klingt ja nicht so erfreulich. Natürlich möchten wir Energie nutzen, um gut zu leben, aber zugleich möchten wir negative Auswirkungen auf die Umwelt vermeiden. Was können wir, was müssen wir tun, um unsere Energiewelt umweltfreundlich zu machen?
Da sowohl die Nutzung von Kohle, Erdöl und Erdgas als auch die Kernenergie starke Nachteile mit sich bringen, konzentrieren wir uns jetzt auf die klima- und umweltfreundlichen Energiequellen. Dies sind allesamt sogenannte erneuerbare Energiequellen. Erneuerbar heißt, dass diese Quellen immer wieder „aufgefüllt“ werden. Und zwar von der Sonne – deren Strahlung wir natürlich auch direkt nutzen können. Und das geht so:
Die Sonnenstrahlung: Sie kann über Fotovoltaik – das sind die Solaranlagen auf den Hausdächern – direkt zur Erzeugung von elektrischer Energie verwendet werden. Oder wir nutzen sie zur Erwärmung von Wasser, mit dem wir dann unser Haus heizen.
Der Wind: Auch hinter der Windkraft steckt die Energie der Sonne. Denn die Sonne erhitzt die Oberfläche der Erde und auch die Luft darüber. Hierdurch entstehen Windströmungen in der Atmosphäre, die zum Antrieb von Windkraftanlagen genutzt werden können, die uns dann Strom liefern.
Die Wasserkraft: Die Sonne ist auch der Antrieb für den Wasserkreislauf auf der Erde. Wasser wird durch Sonnenwärme verdunstet, steigt auf und bildet Wolken – und die regnen irgendwo ab und speisen Bäche und Flüsse. Die potentielle Energie des Wassers können wir dann in Wasserkraftwerken zur Erzeugung von Strom nutzen. Da stürzt Wasser aus einem Stausee in die Tiefe und treibt dabei Turbinen an, die Strom liefern.
Die Biomasse: Durch die Sonneneinstrahlung können Pflanzen wachsen und chemische Energie in Form von Holz, Gras, Mais oder Sonnenblumen speichern. Die Verbrennung von Holz kann direkt Wärme oder auch Strom liefern, Ölpflanzen liefern energiereiches Öl (Raps, Sonnenblumen etc.), andere Biomasse kann durch Vergärung genutzt werden.
Mit einem Experiment aus der DLR-Forschung kann man die Power der Sonne eindrucksvoll zeigen: Sonnenstrahlung wird mit vielen Spiegeln auf einen kleinen Punkt gebündelt und kann dort sogar Stahl schmelzen! Vor allem aber lässt sich die gebündelte Hitze der Sonne nutzen, um in einem Kraftwerk hohe Temperaturen zu erzeugen. Also: Statt Kohle oder Gas zu verbrennen, nutzt man die Energie der Sonne. Und mit den hohen Temperaturen wird dann im Kraftwerk Wasser in Dampf verwandelt, das über Turbinen einen Generator antreibt – und der liefert umweltfreundlich Strom.
Na dann! Worauf warten wir noch? Nutzen wir so bald wie möglich nur noch erneuerbare Energiequellen und vermeiden klimaschädliche Emissionen und radioaktive Abfälle!
Reichen umweltfreundliche Energiequellen aus?
Moment, denn das ist nicht so einfach! Zunächst müssen wir schauen, ob die verfügbaren Mengen an Energie überhaupt ausreichen, um unseren Bedarf zu decken. Hier kann eindeutig Entwarnung gegeben werden: Die Menge an Energie, die uns die Sonne täglich auf die Erde liefert, reicht üppig aus, um die ganze Menschheit zu versorgen. In nur knapp einer Stunde kommt auf der Erde so viel Sonnenenergie an, wie die gesamte Menschheit in einem Jahr benötigt. Hiervon können wir zwar nur einen Teil nutzen, aber auch das ist noch genug.
Und nochmal Moment! Was ist nachts, wenn die Sonne nicht scheint? Und was, wenn kein Wind weht? Für all die Situationen, in denen wir mehr Energie benötigen, als gerade zur Verfügung steht, brauchen wir Speicher. In Speichern können wir Energie „parken“, also aufheben, bis wir sie zu einem späteren Zeitpunkt dann wieder abrufen. Wir füllen die Speicher, wenn wir mehr Energie zur Verfügung haben, als wir gerade brauchen. Und wir leeren sie, wenn wir mehr Energie brauchen, als direkt zur Verfügung steht.
In unserem täglichen Leben nutzen wir bereits einige Energiespeicher. Das ist uns nur oft nicht bewusst. Überleg doch mal, ob du heute schon Energie aus einem Energiespeicher genutzt hast! Welche fallen dir ein?
Lass uns einfach nochmal zurückkehren zu dem Beispiel von deinem Tagesablauf. Noch vor dem Gang ins Bad hast du deine Nachrichten gecheckt – mit Hilfe des Akkus im Handy, in dem elektrische Energie gespeichert ist. Dann kam warmes Wasser aus dem Duschkopf oder dem Wasserhahn, das vielleicht am Vortag von der Sonne erhitzt und in einem Warmwasserspeicher gespeichert wurde. Bei Frühstück nimmst du mit Müsli, Brot oder Marmelade gespeicherte chemische Energie zu dir! Und auch der Schulbus nutzt gespeicherte chemische Energie in Form von Kraftstoff.
Wie du siehst, nutzen wir schon heute verschiedene Arten von Speichern – allerdings eher im kleinen Maßstab. Um die klimaschädliche Nutzung von Kohle, Öl und Gas beenden zu können, brauchen wir richtig große und richtig viele Energiespeicher, die zudem natürlich umweltfreundlich und möglichst günstig sein sollen. Dies ist ein großes und wichtiges Forschungsgebiet, in dem auch das DLR aktiv ist.
Um Kohle, Öl und Gas zu ersetzen, brauchen wir Speicher für die Bereiche Stromerzeugung, Transport und Wärme. Logisch, dass wir dafür unterschiedliche Typen von Speichern benötigen. Für Elektroautos sind zum Beispiel Stromspeicher in Form von Akkus eine Lösung und es wird intensiv geforscht, diese noch leistungsfähiger, leichter und günstiger zu machen.
Um große Mengen in der Stromversorgung zu speichern, sind Akkus aber zu teuer. Hierfür bieten sich chemische Speicher an: Mit überschüssigem Strom aus Sonnen- oder Windenergie können wir z.B. energiereichen Wasserstoff herstellen, den wir in großen Tanks auch für längere Zeit speichern können. Je nach Bedarf kann dieser dann später zur Stromerzeugung, für Autos oder für die Heizung eingesetzt werden.
Speziell für Strom gibt es aber noch eine elegante andere Möglichkeit: Wenn es in Deutschland Nacht ist, geht ja an anderen Orten die Sonne auf! Und wenn es bei uns regnet, scheint in der Sahara – zumindest meistens – die Sonne. Mit einem leistungsfähigen internationalen Stromnetz können wir Strom aus Solarenergie über Ländergrenzen hinweg verteilen und benötigen so viel weniger Speicher! Hierfür muss das Stromnetz allerdings noch deutlich ausgebaut werden.
Wärme zu speichern ist eigentlich recht einfach: Denk nur mal an eine Thermoskanne, in der warme Getränke ihre Temperatur behalten. Was im Kleinen funktioniert, geht auch im großen Maßstab. Allerdings wären für große Mengen Wärme logischerweise auch größere Wärmespeicher nötig – und die wären dann ganz schön teuer. Gerade im Wärmebereich können wir aber einen anderen Weg einschlagen, der einfacher und erfolgversprechender ist. Heute gehen wir nämlich noch recht verschwenderisch mit Wärme um. Du erinnerst dich sicher, dass private Haushalte in Deutschland über die Hälfte ihres Energiebedarfs in Form von Wärme benötigen – das hatten wir oben ja erklärt. Da wird also sehr viel Energie zum Heizen von Wohnungen oder Häusern verwendet. Warum so viel? Das liegt daran, dass viele schlecht gedämmte Häuser im Winter unnötig viel Wärme verlieren, die dann irgendwie nachgeliefert werden muss. Würde man die Häuser gut dämmen, dann würde viel weniger Gas, Holz oder Heizöl benötigt und auch der Bedarf an Speichern wäre deutlich geringer.
Quiz
So, mal sehen ob wir dir alles gut verständlich erklärt haben. Hier wie immer in unseren Lernmodulen ein kleines Quiz, bei dem du dein Wissen testen kannst. Die Lösungen gibt es hier – aber nicht gleich nachgucken, sonst macht das Quiz ja keinen Spaß mehr!
Einblicke und Ausblicke
Nun hast du einen kleinen Einblick in die Welt der Energie bekommen – in die Welt des Zauberwesens, das sich in viele Formen wandeln kann und uns wunderbare Möglichkeiten der Nutzung bietet. Hier konnten wir natürlich nur einige Ausschnitte dieses riesigen Gebiets zeigen, aber vielleicht haben wir dich neugierig gemacht. Unsere heutige Energiewelt – von der Gewinnung bis zur Nutzung – ist insgesamt leider noch nicht sehr umweltfreundlich. Aber wenn wir die erneuerbaren Energiequellen im großen Stil erschließen, Energie weltweit austauschen, effiziente und kostengünstige Speicher entwickeln und die Nutzung deutlich effizienter machen, können wir eine umweltfreundliche Energiewelt für uns alle schaffen! Das erfordert noch viel Anstrengung, auch einige Veränderungen und vor allem viel Forschung – aber es ist möglich! Viele Forscherinnen und Forscher im DLR und in Tausenden anderen Einrichtungen und Laboren weltweit arbeiten engagiert daran, diese Vision Realität werden zu lassen! Und vielleicht bist du ja so neugierig geworden, dass dich das Thema jetzt so sehr interessiert und du eines Tages daran mitarbeiten möchtest!
