Essay: Nachdenken über Energie

Die „Energiedebatte“, die, verfolgt man die Medien, offensichtlich im Abklingen begriffen ist, hat viele Stilblüten/unsinnige Beiträge in Zeitungen/Zeitschriften und in deren Kommentarspalten sowie auf den Diskussionsformen des Internets hinterlassen, so daß es mir angemessen erscheint, einmal grundsätzlich über den Begriff der „Energie“ laut nachzudenken. Man gewinnt nämlich den Eindruck, daß über diesen oft genannten Begriff heillos falsche Vorstellungen herrschen, insbesondere auch deshalb, weil viele Menschen mit diesem Begriff nur „elektrische Energie“, vielleicht noch (gute) Wind- und Sonnenenergie und natürlich die (böse) Kernenergie assoziieren.  Ich will das hier nicht weiter verbreitern, sondern erst einmal etwas Grundlegendes zum Thema „Energie“ erzählen. Denn zuerst  müssen die Begriffe klar sein, bevor es sich seriös über deren Implikationen diskutieren läßt.

„Energie“ ist ein sehr häufig verwendetes Wort, das in vielen Schattierungen Verwendung findet. Jemand, der vor Tatkraft nur so strotzt, hat viel Energie. Jemand, der ein bestimmtes Ziel erreichen möchte, muß viel Energie dafür aufwenden. Und wenn man sich schlapp fühlt, hilft „Red Bull“, der Energiedrink. All das kann man durchaus mit dem griechischen Wort „energeia“ in Zusammenhang bringen, was nichts weiter als „wirkende Kraft“ bedeutet und auch gleich zum physikalischen Begriff der Energie überleitet. Energie ist, volkstümlich gesagt, die Fähigkeit eines Körpers, Arbeit zu verrichten. Nun ja, eine sehr schwammige Definition, wo es doch neben der „mechanischen“ Energie auch chemische Energie, Wärmeenergie, Strahlungsenergie, elektrische Energie etc. pp. gibt, die doch so völlig unterschiedlich erscheinen. Hieraus erkennt man schon, daß der physikalische Begriff der Energie ein sehr abstrakter Begriff ist. Entsprechend lange hat es gedauert, diesen Begriff überhaupt wissenschaftlich zu fassen. Heute wissen wir, daß dieser Begriff, bzw. das, was dieser Begriff beschreibt, eine Erhaltungsgröße ist, die sich aus einem grundlegenden Symmetrieprinzip unserer Welt, und zwar der zeitlichen Invarianz physikalischer Gesetze, ergibt. In einer Welt, für dessen Beschreibung es wurscht ist, auf welchen Zeitpunkt man  sich bezieht (d.h. der Startzeitpunkt ist frei wählbar und beeinflußt die Naturgesetze nicht), muß es eine Größe geben (Noether-Theorem), die immer erhalten bleibt. Und diese Größe ist die Energie. Energie kann nicht verbraucht oder zerstört, ja nicht einmal erneuert, sondern nur in jeweils „andere“ Energieformen umgewandelt werden. Wenn man begrifflich exakt bleiben will, sollte man deshalb niemals von „erneuerbaren“, sondern höchsten von „regenerierbaren“ Energien sprechen, wenn man sich in die landläufige Energiediskussion einbringen möchte. Aber das nur am Rande. Aber was passiert dann nun eigentlich, wenn „Energie erzeugt“ oder „Energie verbraucht“ wird? Nun ja, letztlich wird dabei nur eine Energieform in eine andere Energieform umgewandelt. Die Gesamtenergie, die an diesen Umwandlungsprozessen beteiligt ist, ändert sich nicht, d.h. sie bleibt erhalten. Und gerade das sagt der grundlegende Energieerhaltungssatz aus, eine Gesetzmäßigkeit, die von keinem Parlament der Welt (nicht einmal von Brüssel) aufgehoben werden kann. Dazu ein Beispiel, das sich leicht nachvollziehen läßt. Ich meine den Ottomotor, der gewöhnlich unser Auto (wenn es nicht grad ein Diesel oder Elektroauto ist) antreibt. Benzin ist ein Gemisch verschiedener Kohlenwasserstoffe, in deren molekularen Bindungen „chemische“ Energie steckt. Bei der Verbrennung im Motor, was chemisch einer Oxidation entspricht, werden diese Bindungen aufgebrochen und neue, energieärmere Bindungen mit dem aus der Luft entnommenen Sauerstoff arrangiert (wobei unter anderen das bekannte Kohlendioxid entsteht). Der Energiegehalt der Reaktionsprodukte (genauer, deren Gehalt an chemischer Energie) ist jedoch nach der Oxidation geringer als der Energiegehalt des unverbrannten Benzins. Da aber über allem der unerbittliche Energieerhaltungssatz wacht, muß die Differenz in eine andere Energieform, in diesem Fall in thermische Energie, umgewandelt werden. Diese Wärmeenergie erhitzt schlagartig das Gas im Zylinder, welches sich ausdehnt und dabei den Kolben bewegt (mechanische Energie oder mechanische Arbeitsleistung). Dabei wird jedoch nicht, wie man vielleicht glauben könnte, die gesamte Wärmeenergie in mechanische Energie transformiert. Ein nicht unwesentlicher Rest entschwindet mit dem Gas aus dem Zylinder  in die Umwelt – und zwar durch den Auspuff (dort kann, wie jeder Formel 1 – Fan weiß, ein Teil der Energie noch in akustische Energie umgewandelt werden). Der Kolben treibt über die Kurbelwelle und das Getriebe schließlich die Räder an, die das Kraftfahrzeug fortbewegen. Da trotz Ölung überall Reibung auftritt, kommt letztendlich nur ein kleiner Teil der chemischen Energie auch wirklich bei den Rädern an, um dem Fahrzeug die gewünschte Geschwindigkeit (ausgedrückt durch dessen kinetische Energie) zu verleihen. Wenn man jetzt die gesamte zu Beginn in den chemischen Bindungen enthaltene und bei der Verbrennung freigesetzte Energie her nimmt und sie mit der Summe der im Motor erzeugten Energieformen vergleicht, dann wird man feststellen, daß sie exakt gleich sind. Und nichts anderes sagt der Energieerhaltungssatz aus. Solch eine Umwandlungskette gilt für jeden energetischen Vorgang. So gesehen gibt es keinen Energieverbrauch. Dieser Begriff beschreibt etwas anderes, wie ich noch erläutern werde.

Aber es geht noch weiter. Bei jedem Energieumwandlungsprozeß gibt es, wie gesagt, Verluste, die den Anteil der „nutzbaren“ Energie schmälern. Sie äußern sich meistens in Form von Wärmeenergie, die „an die Umgebung“ abgegeben wird. Diese Art von Energie hat die Eigenschaft, daß sie in den meisten Fällen kaum mehr für einen nützlichen Zweck zu gebrauchen ist (gut, man könnte auf dem Motorblock ein Spiegelei braten). Bei unserem Ottomotor ist das z.B. die Wärmemenge des erhitzten Gases, welches seinen Auspuff verläßt oder den Motorblock selbst erwärmt. Deshalb macht es auch durchaus Sinn, von einem „Wert“ (im Sinne von Gebrauchswert) einer Energieform zu sprechen. Der „Wert“ von Energie liegt darin, physikalische Vorgänge anzutreiben. Oder präziser ausgedrückt, Energie hält die Welt in Bewegung, in dem „wertvolle Energie“ (frei, konzentriert, arbeitsfähig) in eine wertlose (gebunden, ausgelaugt, quasi verdünnt) umgewandelt wird. Dabei wird die Energie „entwertet“, was man gewöhnlich als „Energieverbrauch“ bezeichnet. So kann man elektrische Energie in einer Glühbirne sehr effektiv in kaum nutzbare Wärmeenergie und einen Bruchteil davon (~5%) in nützliche Lichtenergie umwandeln. Diese Lichtenergie könnte man wiederum benutzen, um nachts die zu dieser Zeit unnützen Photovoltaik-Panel auf dem Hausdach zu beleuchten. Sie wären immerhin in der Lage ~20% des auftreffenden Lichts wieder in Elektroenergie zurück zu verwandeln. Einen Kreislauf, in dem man mit der damit erzeugten elektrischen Energie wiederum die Glühbirne speist, wird man auf diese Weise jedoch nicht zustande bringen. Das wäre ja auch ein Perpetuum mobile... Wie man sieht, ist eine Glühbirne das ideale Gerät, um Energie sehr effektiv zu entwerten. Das Verhältnis von Nutzleistung (Licht) zu dazu aufgewendeter Leistung ist das, was man bekanntlich als Wirkungsgrad bezeichnet: Eine normale Glühlampe besitzt einen Wirkungsgrad von lediglich 5%. 

Physikalisch hängt die „Entwertung“ von Energie mit dem damit immer einhergehenden irreversiblen (d.h. unumkehrbaren) Prozessen zusammen. Von allein läßt sich eine Energieentwertung  nicht mehr rückgängig machen.  Man kann aber andere irreversible Prozesse durchaus dazu nutzen, um einen gegebenen, für sich irreversiblen Prozeß wieder umzukehren. Und das muß ich jetzt leider selbst erproben. Meine Tasse Kaffee ist, wie ich gerade mit Bestürzung feststellen muß, weniger wertvoll geworden,  da sie abgekühlt ist, während ich meine Gedanken mühselig auf die Notebooktastatur übertrage. Um diesen Vorgang rückgängig zu machen bleibt mir nichts weiter übrig, als sie für 30 Sekunden in die Mikrowelle zu stellen, um damit wertvolle elektrische Energie zu verbraten(wieviel, ist meßbar, z.B. in Euro). Von selbst wäre mein Kaffee jedenfalls niemals wieder heiß geworden...

Und damit kommen wir zu einem weiteren, äußerst abstrakten Begriff, den Begriff der Entropie. Salopp könnte man sagen, Entropie ist dasjenige, was verhindert, daß man aus einem Rührei wieder ein Spiegelei machen kann.  Oder daß kalter Kaffee von allein wieder heiß wird. Oder daß mein Stück Sahnetorte, welches auf den Fußboden gefallen ist, von allein wieder auf meinen Teller springt und ich sie weiter genießen kann. Und – und da fallen Ihnen sicherlich selbst noch genügend weitere Beispiele ein...

Wie ich eben erläutert habe, läßt sich die Umkehr eines von alleine ablaufendem physikalischen Vorgangs prinzipiell immer durch den nachfolgenden Ablauf eines anderen selbständig  ablaufenden physikalischen Vorgangs erzwingen. Damit läßt sich jetzt der „Grad“ der Entwertung von Energie quantifizieren. Derjenige der beiden genannten physikalischen Vorgänge, der den jeweils anderen quasi zurückspulen kann, ist der mit der größeren Energieentwertung. Und hier kommt nun der noch weit abstraktere Begriff der Entropie ins Spiel. Etymologisch bedeutet das griechische Wort „Entropie“ einfach nur „Umwandlung“. Wie grad geschehen, hat sich der Wert meiner Tasse Kaffee durch Abkühlung arg verringert. Es liegt also nahe, die Entropie als Maß dieser Entwertung zu nehmen, oder, wie der Physiker es gern hat, formal die Menge der entwerteten Energie (=Entropie) als proportional zur an die Umgebung abgegebenen Wärmemenge ∆Q anzusehen, also mit  ∆S als Entropiedifferenz zwischen heißen und kalten Kaffee:   ∆S~∆E=∆Q.  Nun macht es offensichtlich einen Unterschied, ob mein heißer Kaffee im Winter im Garten bei Frost oder in meinem 20° C warmen Zimmer abkühlt (im Winter kann er sogar gefrieren, wenn man nicht aufpaßt – „Eiskaffee“). Im ersten Fall ist die an die Umgebung abgegebene Wärmemenge offensichtlich größer als wie im zweiten Fall (wir gehen davon aus, daß der Kaffee vollständig, also bis auf die Umgebungstemperatur, auskühlt). Oder anders ausgedrückt, auch die Umgebungstemperatur  T spielt bei der Quantifizierung der Entropie eine Rolle. Formal kann man dafür  ∆S=∆Q/T schreiben. Wie sieht nun die Gesamtentropieänderung meiner geliebten Tasse Kaffee aus? Sie besteht offensichtlich aus zwei Teilen. Einmal erniedrigt sich die Entropie des Kaffees aufgrund dessen Abkühlung auf Umgebungstemperatur um ∆SKaffee=-∆Q/TKaffee und zum anderen nimmt die Entropie der Umgebung um  ∆SUmgebung=∆Q/TUmgebung  zu. Die Gesamtentropie ist also ∆S_g=∆Q ( 1/TUmgebung -1/TKaffee ) > 0 . Hier ist nur wichtig zu konstatieren, daß die Gesamtentropie immer zunimmt in demselben Maße, wie die Energieentwertung fortschreitet. Die Energieentwertung ist damit äquivalent mit der Erzeugung von Entropie. Und die Gesamtentropie in einem geschlossenen System kann immer nur zunehmen:  ∆Sg≥0. Diesen wahrhaft  fundamentalen Satz nennt man den Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Und er hat auch fundamentale Konsequenzen für die Energieerzeugung (=Erzeugung hochwertiger nutzbarer Energie) und für den Energieverbrauch (=Entwertung von Energie unter Anstoß nützlicher physikalischer Prozesse, z.B. um einen Computer rechnen zu lassen). 

Das, was ich eben versucht habe, zu erläutern, ist der thermodynamische Aspekt der Entropie. Entropie ist aber wie die Energie ein sehr abstrakter Begriff, der noch weitere Ausdeutungen hat (sie sind zwar genaugenommen der thermodynamischen äquivalent, was aber auf dem ersten Blick meist nicht zu erkennen ist). Die eigentliche (mikroskopische) Begründung erhält diese Zustandsgröße in der statistischen Mechanik. Aber auch in der Informationstheorie hat die Entropie (nach Shannon) eine grundlegende Bedeutung.

Immer wenn sich in unserer Welt etwas verändert, ist Energieumwandlung im Spiel. Energieumwandlung bedeutet nach dem zweiten Hauptsatz aber immer auch Entropieproduktion. Sie äußert sich in einer gleichmäßigen Verteilung von Wärme oder auch von Stoffen in der Umgebung (z.B. Abfälle). Wenn alle freie Energie umgewandelt ist und alle Stoffe gleichmäßig verteilt sind, dann kommt ein (abgeschlossenes) physikalische System endgültig zur Ruhe. Das nennt man dann den „Wärmetod“.

Entropiezunahme in einem physikalischen System ist also mit der Verringerung von dessen Ordnungsgrad verbunden, d.h. jedes in sich abgeschlossene System möchte in den Zustand größter Unordnung übergehen. Das könnten Sie z.B. deutlich an meinem Schreibtisch sehen, wenn sie ihn sehen könnten. Dort drei Bücher, hier der Taschenrechner, dort der Kugelschreiber, ein paar Schmierzettel, die Kaffeetasse, das Notebook, links ein Ordnerstapel und mitten auf der Schreibfläche Kater Humpel, den gesamten restlichen Platz einnehmend etc. 

Ein ehemals wohlgeordneter Schreibtisch geht im Laufe der Zeit unweigerlich in einen ungeordneten Zustand über (das ist nicht nur eine Erfahrungstatsache, sondern ein Naturgesetz!). Man kann auch sagen, seine Entropie nimmt im Laufe der Zeit unweigerlich zu. Entropie hat also etwas mit der Verteilung von Dingen zu tun. Es gibt viel mehr Möglichkeiten für einen unaufgeräumten Schreibtisch (hohe Entropie) als für einen wohlgeordneten Schreibtisch (geringe Entropie). In der statistischen Mechanik wird diese Überlegung „verfeinert“ und man spricht von Mikro- und von Makrozuständen. Wer sich geistig gesund fühlt, findet sehr viel dazu in Landaus Lehrbuch der Theoretischen Physik („Wer Landau liest und Sommerfeld, der hat ein Recht auf Krankengeld“). 

Also was ist die Erkenntnis: Um einen Schreibtisch aufzuräumen, muß Energie eingesetzt werden. Der kluge Mensch weiß, daß ist eine Sisyphos-Arbeit. Deshalb strebe ich immer einen Schreibtisch mittlerer Entropie an.

Kehren wir nun zur Energie zurück, wobei wir von der Entropiediskussion uns erst einmal nur die Sentenz „Man muß Energie einsetzen, wenn die Entropie abnehmen soll“ merken wollen. Und wir wollen uns noch merken, daß die Produktion von Wärme mit einer hohen Entropieproduktion einhergeht. Und natürlich, daß die Entropie eines abgeschlossenen Systems immer nur zunehmen kann (Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik). Und das die Entropie im Gegensatz zur Energie keine Erhaltungsgröße ist.

Energie bleibt also stets erhalten, sie kann sich nur in Form von Prozeßketten immer nur in jeweils eine andere Form umwandeln, wobei die Umwandlung niemals vollständig ist, denn faktisch geht ein Teil der Energie immer in Wärmeenergie (gewissermaßen als Synonym der  Entropie) über. Die „Güte“ eines solchen Umwandlungsprozesses wird durch dessen Wirkungsgrad ausgedrückt. Ein Wirkungsgrad von 100% ist unmöglich.

Kommen wir nun zu der Frage, wie Energie gemessen wird. Die Meßgröße kennt heute jeder, sie ist in SI das Joule. Wir als Hobbyastronomen kennen natürlich auch noch das erg. Manchmal findet man in Kochsendungen noch die Kalorie (cal), die angeblich anschaulicher als das Joule sein soll: Eine Kalorie ist die Energie, die benötigt wird, um genau ein Gramm Wasser von 14.5° C auf 15.5° C bei einer Atmosphäre Druck (101.3 kPa) zu erwärmen. Ein Joule dagegen ist die Energie, die benötigt wird, um eine Masse von 0.102 kg (ein Schinkenbrot) einen Meter anzuheben. Wenn man einen Fußball mit einer Geschwindigkeit von 30 m/s (108 km/h) unelastisch gegen seine Birne bekommt (E~194 J), dann reicht diese Energie theoretisch aus, um ein Glas Wasser um ein Grad zu erwärmen. Was als Wärmemenge als recht wenig erscheint, kann im ungünstigsten Fall zu einer Einlieferung in die Notaufnahme eines Krankenhauses führen.

Aber in der Regel sind wir als zahlende Bürger eine andere Energieeinheit gewöhnt, die Kilowattstunde, abgekürzt kWh. Ein Joule ist bekanntlich genau eine Wattsekunde (Ws). Da eine Stunde 3600 Sekunden hat, entspricht eine Kilowattstunde genau 3600 kJ. Damit kann eine 60 Watt-Glühbirne ~17 Stunden lang betrieben werden. Mit einem Joule wären das nur 1/60 Sekunden. Die Energie des Kopfballs hätte die Glühbirne nicht mal 3 Sekunden leuchten lassen. Das sind also Energiemengen, mit der wir es im Haushalt zu tun haben. 

Auf der Seite der Energieproduktion kommt man mit dem Präfix „Kilo“ dagegen nicht sehr weit. Dort beginnt die geläufige Einheit für die Leistung gewöhnlich mit „M“ für Mega oder „G“ für Giga, so daß man schon mal leicht Megawatt (MW) mit Megabyte und Gigawatt (GW) mit Gigabyte verwechseln kann. Ein großes Braunkohlenkraftwerk hat dann gleich eine elektrische Leistung von 2200 MW. Läßt man es bei dieser Leistung ein Jahr lang ununterbrochen laufen, also 86400x365 = 31536000 Sekunden lang, dann produziert es eine Energie von ~7.14∙10^16 J. Damit könnte unsere Glühbirne, wenn sie nicht vorher ihren Geist aufgibt, ~38 Millionen Jahre leuchten. Um diese Energie zu erzeugen, benötigt man 20.4 Millionen Tonnen Braunkohle. Zu einem Würfel geformt wäre das ein Würfel mit einer Kantenlänge von ~280 m. Jede Stunde müssen demnach mehr als 2000 Tonnen davon verfeuert werden. Die gleiche Energiemenge läßt sich theoretisch auch aus einem Würfel Natururan (0.72 % U^235) mit einer Kantenlänge von 1.8 m gewinnen. Und von solchen Braunkohlekraftwerke haben wir in Deutschland 8 mit einer Bruttoleistung oberhalb 1500 MW und es sollen noch mehr werden. Und dabei liefert ein Kraftwerk mit 2200 MW gerade einmal 0.5% des Primärenergieverbrauchs unseres Landes.

Damit kommen wir zu den wichtigen Begriffen Primärenergie und Nutzenergie, die sich aufgrund der Verluste (Stichwort Entropie) in der Umwandlungskette  stark voneinander unterscheiden. Unter Primärenergie versteht man die Energie, die mit den natürlich vorkommenden Energiequellen (fossile Energiequellen, Wind, Geothermie, Sonnenlicht, Kernbrennstoffe) zur primären Energieerzeugung zur Verfügung steht. Daraus entsteht die Sekundärenergie im Zuge von dessen Umwandlung (meist elektrische Energie, z.T. für Heizzwecke nutzbare Wärmeenergie), die aufgrund der Verluste bei der Energieentwertung (deutsche Braunkohlekraftwerke haben z.B. im Mittel einen Wirkungsgrad von 38%) um ein Vielfaches geringer ist. Und auch diese Energie wird beim Verbrauch entwertet so daß noch weniger Nutzenergie übrigbleibt. Es ist traurig aber wahr, letztendlich löst sich die Energie in Wärme auf und bringt die Welt dem „Wärmetod“ (schmunzel, schmunzel) ein Stückchen näher...

Was sind nun die primärsten aller Energiequellen der Erde, die uns prinzipiell zur Nutzung zur Verfügung stehen? Davon gibt es eigentlich nur drei. Das Sonnenlicht, die Gezeiten und die Wärme, die im Erdinneren durch den Zerfall radioaktiver Isotope  erzeugt wird. Letztere stammen primär von Elementen ab, mit denen die Materie, aus denen sich unser Sonnensystem vor 4.53 Milliarden Jahren gebildet hat, durchsetzt war (eine Supernova war da nicht ganz unschuldig dabei. Sie ermöglichte quasi erst die heutigen Kernkraftwerke und Goldzähne). Alle fossilen Energiequellen, Erdgas, Öl, Kohle, haben ihren Ursprung in der Biomasse, die wiederum primär aus Sonnenenergie in vielen Millionen Jahren durch den genialen Prozeß der Photosynthese gebildet wurden. Windenergie und die Energie der Wasserkraft hängen auch primär von der Sonne ab, denn die Sonne hält die Zirkulation der Atmosphäre und die der Ozeane am Laufen. Nur die Energie der Gezeiten, die sich mittels Gezeitenkraftwerke anzapfen läßt, stammt von der gravitativen Wirkung von Sonne und Mond. 

Unsere Sonne ist ein gewöhnlicher Hauptreihenstern der Spektralklasse  G2V mit den leicht zu merkenden Parametern von einer Sonnenmasse, einem Sonnenradius und der Leuchtkraft von einer Sonnenleuchtkraft (der helle Schulterstern des Orion, Beteigeuze, hat dagegen eine Masse von rund 20 Sonnenmassen, einen veränderlichen Radius von rund 660 Sonnenradien und eine Leuchtkraft von ca. 55000 Sonnenleuchtkräften, was sich schon schwieriger merken läßt). Was ist nun eine Sonnenleuchtkraft? Unter der Leuchtkraft eines Sterns versteht man die gesamte Energie, die ein Stern in einer Zeiteinheit in den Kosmos abstrahlt (also eine Leistung). Bei der Sonne sind das 3.845∙10^26 W und bei Beteigeuze 55000 mal soviel. Davon kommen an der Position der Erde (d.h. in einer Entfernung von ~149 Millionen Kilometern) pro Quadratmeter und Sekunde 1367 J an. Die Größe  S=1367 J m^(-2) s^(-1) nennt man die Solarkonstante. Auf die Querschnittsfläche der Erde entfällt demnach eine Leistung von ~1.74∙10^17 W. Vergleicht man das mit dem gegenwärtigen Energieverbrauch der Menschheit (~1.5∙10^13  W), dann ist die die Erde treffenden solaren Leistung rund 12000 mal größer. Gottseidank wird diese Energie nicht auf der Erde gespeichert, sondern als reflektierte oder Wärmestrahlung wieder in den Kosmos abgestrahlt (Näheres siehe mein Essay „Schlittern wir in ein neues Maunder-Minimum?“).  Diesen Zustand nennt man Strahlungsgleichgewicht. Es bestimmt die über die ganze Erde gemittelte Temperatur. Unter mitteleuropäischen Verhältnissen könnte man die gesamte Stromproduktion Deutschlands (6.21∙10^14  W) zumindest von den Zahlen her mittels Solarzellen, die auf einer Fläche von rund gerechnet (140x140) km² Größe (~2800 mal der Müggelsee) flächendeckend installiert sind, erreichen. 

Weil wir grad beim Sonnenschein sind, wollen wir gleich dasjenige, was wir über die Entropie gelernt haben, anwenden. Die Erde ist nämlich ein idealer Exporteur von Entropie. Nur deshalb ist überhaupt Strukturbildung möglich und nur deshalb gibt es uns. Der Grund dafür ist das Temperaturgefälle zwischen Sonnenphotosphäre (~5800 K) und der Erdoberfläche (~260 K an der Atmosphärengrenze). Im Gleichgewichtsfall (~1.74∙10^17 W)  ist Einstrahlung gleich Ausstrahlung. Es gibt aber einen qualitativen Unterschied zwischen beiden Strahlungen. Hochenergetische Photonen von der Sonne werden durch Absorption und Reemission in niederenergetische Photonen (Wärmestrahlung) umgewandelt und in den Kosmos zurück gestrahlt. Die Entropieänderung pro Zeiteinheit ergibt sich dann zu  ≈ 10^17 W ((1/(5800 K)-1/(260 K)))=-4∙10^14  WK^(-1). Es werden also pro Sekunde rund 4∙10^14 „Entropieeinheiten“ an den Kosmos abgegeben. Das entspricht auf die Erdoberfläche bezogen einen Entropieexport von ~ 1 WK^(-1) m^(-2). Auf diese Weise ersticken wir, umgangssprachlich, nicht im Müll, sondern haben Kapazitäten zur Selbstorganisation und Strukturbildung frei. Das auf der Erde so vieles geschieht liegt einfach nur daran, daß die Sonne so heiß und der Weltraum so kalt ist. 

Kehren wir zurück zum Begriff des Primärenergieverbrauchs. Das ist der Verbrauch an Energie (z.B. durch Verbrennung, durch „alternative“ Energien, durch Kernkraft und Photovoltaik etc.), der zur Erzeugung von „nützlicher“ hochwertiger, i.d.R. Elektroenergie, benötigt wird. Aus Letzterer wird gewöhnlich Nutzenergie gewonnen (um z.B. Kaffee zu kochen), wobei gilt  Eprimär>EElektro>ENutz. In jedem Prozeßschritt gibt es physikalisch bedingt Verluste und die sind umso größer, je mehr Prozeßschritte bis zur Nutzung notwendig sind. Angenommen, mittels eines Güllekraftwerks wird Biogas erzeugt. Durch Verbrennung dessen läßt sich relativ effizient Wärme zum Heizen, aber auch elektrischer Strom erzeugen. Man kann es aber auch über mehrere Prozeßschritte (Stichwort Dampfreformierung)  in Diesel umwandeln, um damit mit Hilfe eines Autos durch die Gegend fahren zu können. Die nutzbare Energie beträgt dann aber nur noch ein Bruchteil von dessen, welche man durch direkte Verbrennung des Biogases hätte erzielen können. Genauso, wie sich die Primärenergie nie verlustfrei in „Endenergie“ umwandeln läßt, läßt sich die „Endenergie“ (z.B. in Form elektrischer Energie) nur unter Verlusten in Nutzenergie umwandeln. Die Differenz zwischen Primärenergie und Endenergie liegt in Deutschland bei rund 2.6∙10^12 kWh. Das entspricht ungefähr 80% der jährlichen elektrischen Energieproduktion aller Kernkraftwerke der Welt zusammen. Nebenbei soll noch erwähnt werden, daß man zur Produktion von Primärenergie selbstverständlich auch Energie aufwenden muß. Denn irgendwas muß die Kohlebagger und Ölpumpen ja antreiben. Und selbst wenn man mit dem Spaten nach Kohle gräbt, muß man etwas essen, um die dazu notwendige Arbeitsleistung aufbringen zu können.

Heute lebt die Menschheit den größten Teil ihres Energiehungers durch Verbrennung der in vielen Millionen Jahren in fossilen Energieträgern gespeicherten Energie aus: Öl 37%, Kohle 25%, Erdgas 23% -> 85% der Weltenergieproduktion beruhen auf fossilen Energieträgern. Der Rest wird durch Kernkraft (8%), Biomasse (4%) und den berühmten „Alternativen Energien“ (3.8%) aufgebracht. Übrig bleibt noch Photovoltaik und Geothermie, deren Bedeutung jedoch global gesehen vernachlässigbar ist. Nur sind leider die fossilen Brennstoffe endlich. Für die Kernenergie durch Kernspaltung gilt das zwar auch (auch die abbauwürdigen Uranvorräte sind begrenzt), aber dem ließe sich durch eine nachhaltige Atomwirtschaft begegnen, da sich Kernbrennstoff „erbrüten“ läßt. Nur gibt es dafür keine gesellschaftliche Akzeptanz. 

Da sich die „fossilen“ Energieträger nicht regenerieren lassen und die Kernkraft zumindest in Deutschland bei einigen Leuten verpönt ist, schauen wir uns jetzt einmal den nächsten Kandidaten in der Liste an, die „Biomasse“. Man kann jedes Jahr das „Wachsen“ der Biomasse quasi zusehen, wenn sich im Frühjahr und Sommer pflanzenfreie Äcker innerhalb weniger Monate wie von alleine in herrliche Raps- und Maisfelder verwandeln. Und daraus läßt sich dann prächtig der Biosprit E10 herstellen.  

Der Prozeß, der Raps und Mais wachsen läßt, ist die Photosynthese. Sie wurde vom „Leben“ vor mehr als 3.2 Milliarden Jahren „erfunden“ und ist in der Lage, lichtgetrieben Kohlendioxid zu fixieren und dabei pflanzliche biologische Substanzen (z.B. Kohlenhydrate wie Zucker, Stärke und Zellulose) aufzubauen. Die Reaktionskette ist im Einzelnen sehr kompliziert und ich kann sie hier nicht im Detail vorstellen. Nur soviel. In einer sogenannten Lichtreaktion wird unter Ausnutzung von Sonnenlicht Wasser gespalten, dabei Sauerstoff freigesetzt und der Wasserstoff in einem speziellen Enzym, welches (nicht ganz exakt) unter dem hübschen Namen Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid-Phosphat  bekannt ist, zwischengespeichert. Außerdem wird die extrem energiereiche Verbindung ATP (Adenosin-Triphosphat) erzeugt. In der nachfolgenden Dunkelreaktion wird Kohlendioxid aus der Atmosphäre entnommen, und mit Hilfe dieser beiden Stoffe in Kohlenhydraten umgewandelt. Wie sieht nun die Energiebilanz ist? Wieviel Primärenergie läßt sich auf diese Weise auf unseren Feldern erzeugen?  Nun ja, die Bilanz ist ernüchternd. Durch Photosynthese läßt sich nur etwa 1% der einfallenden Lichtenergie nutzen. Dazu kommt noch, daß der Mais erst Ende Mai aufgeht und die Vegetationsperiode im Oktober schon zu Ende ist. Von den rund 1000 kWh Sonnenenergie, die in Deutschland im Jahresdurchschnitt auf einen Quadratmeter Boden fallen, werden gerade einmal 10 kWh in Form von Biomasse gespeichert. Da fragt man sich, ob es für den Bauer nicht besser wäre, seinen Acker gleich mit Solarzellen vollzustellen. Da entfällt das Säen und das Ernten und die primäre Energieausbeute ist rund 30 mal höher. Wenn man etwas recherchiert, findet man z.B. daß sich aus einem Hektars (100x100 m²) Mais mit modernen Biogasanlagen ~4600 m³ Methan herstellen lassen. Methan hat einen Energiegehalt von 50 MJ pro kg. 4600 m³ haben also einen Brennwert von ~46000 kWh. Daraus lassen sich wiederum (aufgrund des schlechten Wirkungsgrades von ~1/3) etwa 17000 kWh elektrische Energie gewinnen. Aus 100% Lichtenergie werden letztendlich ~0.17% elektrische Energie. Düngung, Transport (für die man auch Energie braucht, zumindest aber Biodiesel) verschlechtern das Ergebnis weiter. Jetzt kann man erahnen, warum Landwirtschafts-Subventionen nötig sind... Was Bioethanol und Biodiesel betrifft, erspare ich mir die Effektivitätsabschätzung. Die Verwendung von Biomasse zur Energiegewinnung macht offensichtlich nur Sinn, wenn sowieso anfallende Abfälle auf diese Art und Weise verwertet werden. Es kann einfach nicht sein, daß Raps, Mais und Weizen verfeuert werden, um E10 herzustellen, wenn auf der Welt Menschen verhungern.

Die nächste große Geheimwaffe der grünen Energetiker ist die „Windmühle“, auch „Windkraftanlage“ genannt. Sie soll uns in Deutschland langfristig im Zusammenspiel mit Biomasse und Photovoltaik von den fossilen Energieträgern unabhängig machen, nachdem die Atomkraft in Deutschland mit Erfolg (Fukushima sei Dank) (schein-) tot gemacht wurde. Wir kennen sie meistens nur als ein wesentliches Element der Landschaftsverschönerung und freuen uns, daß wir nicht in deren Nähe wohnen müssen. An sich ist die direkte Ausnutzung der Windenergie genauso wie der Sonnenenergie durch Photovoltaik eine durchaus vernünftige Option, wenn sie nicht einen großen Nachteil hätte. Sie ist nicht grundlastfähig. Nur Wärme- , Gas- und Kernkraftwerke sind für die kontinuierliche Bereitstellung von Grundlast fähig. Dieser wichtige Aspekt wird bei deren Diskussion meistens unterschlagen, da per se Windkraft und Photovoltaik für eine stabile Elektroenergieversorgung unbrauchbar sind. Sie kann immer nur unterstützend wirken – Speichermöglichkeiten hin oder her. Der große Nutzen derartiger regenerativer Energien besteht in der Einsparung fossiler Energieträger, die in grundlastfähigen Wärme- und Gaskraftwerken verbraucht werden (allein 2000 Tonnen Braunkohle stündlich im Kraftwerk Frimmersdorf). Grundlast ist bekanntlich die Belastung eines Stromnetzes, die während eines Tages nicht unterschritten wird. Sie liegt in Deutschland irgendwo bei 40 GW. Stellen wir uns nun mal vor, daß der Anteil an der Energieproduktion durch klassische Kohle- und Gaskraftwerke im Zuge unserer genialen Energiepolitik immer mehr heruntergefahren (sagen wir mal auf 30 GW) und die Differenz durch alternative Energien aufgefangen wird. Und jetzt stellen wir uns einen trüben, windstillen, bitterkalten Tag kurz nach Neujahr vor. Der Hochnebel läßt nur wenig Sonnenlicht durch und kein Lüftchen mag die Rotoren der Windkraftanlagen zum Drehen bewegen - nun ja, dann gehen die Lichter aus und es wird kalt in den Stuben. Ich kann jetzt hier keine Vorlesung über elektrische Energieverteilungsnetze halten. Aber nur soviel. Wenn wir im europäischen Verbund solch eine Grundlastlücke nicht ausgleichen können (z.B. durch Bezug von pösen Atomstrom aus unseren Nachbarländern, die der Vorbildwirkung Deutschlands noch nicht erlegen sind), dann droht der große Blackout. Gut, es ist nicht sehr wahrscheinlich, daß es einmal dazu kommt. Dafür arbeiten viel zu viele kluge Ingenieure bei unseren Energieversorgern. Aber ausgeschlossen ist das nicht. Durch den übereilten und m.E. völlig unüberlegten Atomausstieg ist die Gefahr in dieser Beziehung jedenfalls stark angestiegen. So gesehen könnte ein lokaler Blackout durchaus eine pädagogische Wirkung auf unsere Politiker entfalten, obwohl er keiner Stadt zu wünschen ist. Jeder Netzwerktechniker weiß, daß eine unstetige Energieeinspeisung Gift für ein Stromverbundnetz ist (Stichwort Frequenzstabilität). Aber wir wären nicht das Volk der Dichter und Denker, wenn uns (zumindest den Politikern, wenn schon die Ingenieure ratlos sind) dazu nichts einfallen sollte. Stichworte sind „Energiespeicher“ wie neue Pumpspeicherwerke (da wird komischerweise immer „Norwegen“ genannt, und es scheint, die wissen gar noch nichts von ihrem Glück, Speicher deutscher Ökoenergie zu werden), eine Flottille von Millionen Elektroautobatterien (die es noch nicht gibt) und – als neueste Errungenschaft,  intelligente Stromzähler für jeden Bürger, sogenannte Smart-Meter. Letztere stellen quasi die elektronischen Nachfahren der staatlichen Plankommission der DDR dar. Das man elektrische Energie nicht effektiv speichern kann, ist physikalisch bedingt. Speicherung bedeutet in diesem Fall Ladungstrennung, und da hat die Natur nun mal was dagegen. Es hat schon seinen Grund, warum gerade die Entwicklung von leistungsfähigen Batterien ein äußerst schwieriges Geschäft ist, welches nur in kleinen Schritten vorankommt. So erreichen moderne, für Elektroautos geeignete Lithiumionenbatterien heute eine Energiedichte von 100 bis 120 Wh/kg. Damit allein kommt man an die Leistung und Reichweite Benzin- und Diesel-getriebener Fahrzeuge noch lange nicht heran (Hybridsysteme sind dagegen wiederum äußerst interessant, da sie die Vorteile von beiden Welten vereinigen).

Die z.Z. immer noch beste Form, elektrische Energie kostengünstig zu speichern, ist deren Speicherung in Form mechanischer potentieller Energie. Man nennt die Anlagen, die dazu in der Lage sind, bekanntlich Pumpspeicherkraftwerke. Ihr Arbeitsprinzip ist einfach. Bei hohen Stromangebot und wenig Verbrauch wird Wasser aus einem tiefergelegenen Reservoir mittels elektrischer Pumpen in ein höherliegendes Oberbecken gepumpt. Ist dagegen der Verbrauch hoch und die Stromerzeugung kann dem nicht folgen, dann läßt man das Wasser aus dem Oberbecken ab und betreibt damit Turbinen, die Strom erzeugen. Der Wirkungsgrad von solchen Anlagen (~80%) ist nicht schlecht. Die z.Z. in Deutschland installierte Gesamtspeicherkapazität liegt z.Z. bei ca. 40 GWh. Stellen wir uns einfach mal ganz dumm und fragen uns, was denn passiert, wenn im Herbst, sagen wir mal einen ganzen Tag lang, der Wind besonders stark weht und die Windkraftanlagen nahe ihrer Nennlast arbeiten. Bleiben wir dabei optimistisch, daß über diesen Zeitraum hinweg nur 10000 MW als Überkapazität in das Stromnetz eingespeist werden. Dann benötigt man schon 240000 MWh Speicherkapazität, um diese Leistungsspitzen sicher abzufangen. Unsere Pumpspeicherwerke haben aber nur eine Gesamtleistung von ~6.6 GW (entspricht einer Speicher-Energiemenge von ~37700 MWh), vorausgesetzt, sie sind im Sommer leergelaufen ... Da wird wohl die Netzagentur die Windmühlen abschalten müssen, wenn nicht das Licht ausgehen soll. Ich jedenfalls glaube nicht daran, daß in D noch weitere, große Pumpspeicherkraftwerke gebaut werden können. Da steht der organisierte Bürgerprotest dagegen... 

Eine weitere Möglichkeit, überschüssige elektrische Energie zu speichern, besteht in der Überführung in chemische Energie, z.B. in Wasserstoff, in verschiedene Kohlewasserstoffe, aber auch in Ethanol oder Ammoniak. Dabei ist die Ammoniaksynthese vom energetischen Standpunkt sicherlich mit die erste Wahl – aber nicht vom gesundheitlichen. Auch hier gibt es zwar viele Ideen („Wasserstoffwirtschaft“), aber nur wenige brauchbare Innovationen. 

Das soll erst einmal für Denkanstöße genügen.

Nun aber noch etwas zum Abschluß. Was glauben Sie, was erzeugt mehr (Wärme-) Energie, ein Kubikmeter „Mensch“ oder ein Kubikmeter „Sonne“ ? 

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