Infotext - [01a] Was ist Energie?

Die Energie (oder auch Energiemenge) ist eine fundamentale physikalische Größe, die in allen Teilgebieten der Physik sowie in der Technik, Chemie, Biologie und der Wirtschaft eine zentrale Rolle spielt. 

Energie wird in der Einheit Joule angegeben. James Prescott Joule (1818 - 1889) war ein britischer Brauer, der als Physiker zu größten Ehren kam. Als Spross einer Brauerfamilie war er selbst Besitzer einer Bierbrauerei und forschte, ausgehend von technischen Fragen des Maschinenbaus und des Brauereiwesens, zu naturwissenschaftlichen Fragen. Er leistete einen wesentlichen Beitrag zur Weiterentwicklung der Wissenschaften. Die Einheit der Energie wurde deshalb ihm zu Ehren „Joule“ genannt. (Energieeinheit: 1J ; Das ist eine sehr kleine Energiemenge. Sie ist beispielsweise nötig, um eine Tafel Schokolade (100g) um einen Meter hochzuheben.)

1841 veröffentlichte der deutsche Arzt Julius Robert Mayer die Idee, dass Energie weder erschaffen noch vernichtet, sondern nur umgewandelt werden kann. In einem gegenüber der Umgebung abgeschlossenen System ändert sich die Gesamtenergie also demnach nicht. Das ist die Aussage des Energieerhaltungssatzes. Eine Dampfmaschine wandelt beispielsweise Wärmeenergie in mechanische Energie um. Die Wärmeenergie, die während des Betriebs einer Dampfmaschine verloren gegangen ist, entspräche genau der mechanischen Arbeit, die die Maschine leistet.

Energieformen

Energie gibt es in verschiedenen Energieformen, die ineinander umgewandelt werden können. von Energieformen sind Lageenergie (potentielle Energie), Bewegungsenergie (kinetische Energie), elektrische, chemische und Wärmeenergie (thermische Energie). Beispiele für solche Umwandlungen von Energie sind, dass ein Mensch ein Paket hochhebt (Beim Herunterfallen wird die potentielle Energie dann wieder frei) oder eine Batterie aufgeladen wird.

Technische Nutzung der Energie

Eine Erzeugung von Energie ist aufgrund des Energieerhaltungssatzes nicht möglich. Die Bezeichnung „Energieerzeugung“ wird im Wirtschaftsleben aber dennoch verwendet, um die Umwandlung einer bestimmten Energieform (zum Beispiel elektrischer Strom) aus einer anderen Form (zum Beispiel chemischer Energie in Form von Kohle) auszudrücken. Analog gibt es im strengen physikalischen Sinne auch keinen „Energieverbrauch“, wirtschaftlich gemeint ist damit der Übergang von einer Energieform in eine andere. Beispielsweise wird elektrische Energie „verbraucht“, um einen Ventilator zu betreiben. Die „verbrauchte“ elektrische Energie muss dann von uns bezahlt werden. Von Energieeinsparung ist die Rede, wenn effizientere Prozesse gefunden werden, die weniger Primärenergie (Kohle, Gas, Öl) für denselben Zweck benötigen, oder anderweitig, zum Beispiel durch Konsumverzicht, der Primärenergieeinsatz reduziert wird.
Die meisten Umwandlungen erfolgen nicht vollständig in eine einzige Energieform, sondern es wird ein Teil der Energie in Wärme gewandelt. In mechanischen Anwendungen wird die Wärme meist durch Reibung erzeugt. Diese Wärme wird in der Regel nicht genutzt und als „​Verlust“ bezeichnet. Das Verhältnis zwischen erfolgreich umgewandelter Energie und eingesetzter Energie wird Wirkungsgrad genannt. Bei technischen Anwendungen wird häufig eine Reihe von Energieumwandlungen gekoppelt. In einem Kohlekraftwerk wird zunächst die chemische Energie der Kohle durch Verbrennung in Wärme umgesetzt und auf Wasserdampf übertragen. Turbinen wandeln die Wärme des Dampfs in mechanische Energie um und treiben wiederum Generatoren an, die die mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln.
Während alle Energieformen unter gewissen Bedingungen vollständig in thermische Energie umgewandelt werden können, gilt das in umgekehrter Richtung nicht. Abhängig von der Temperatur, bei der die Wärme zur Verfügung steht, lässt sich nur ein mehr oder weniger großer Anteil in mechanische Arbeit umwandeln, während der Rest an die Umgebung abgegeben wird.

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Infotext - [01b] Energieflussdiagramme

Energieflussdiagramme

Energie tritt in unserer Umwelt immer wieder in unterschiedlichen Formen auf (mechanische Energie, elektrische Energie, chemische Energie, etc.). Ein Energieflussdiagramm stellt dabei Informationen über die Energieumwandlungen und Energieströme in einem System anschaulich in einer Grafik dar. Sie werden meist so dargestellt, dass der Fluss der Energie durch einen Pfeil dargestellt wird. Die Breite des Pfeils stellt dabei die Energiemenge dar. Je breiter der Pfeil ist, desto mehr Energie entspricht dann diesem Weg den die Energie im Diagramm nimmt. Wenn verschiedene Energieformen dargestellt werden, dann kann dies auch mit unterschiedlichen Farben erfolgen.

Das Energieflussdiagramm veranschaulicht z.B. die Energieströme in einem Prozess oder die Nutzung der Energie bei verschiedenen Energiewandlern. Umgangssprachlich werden Energiewandler oft als „Verbraucher“ bezeichnet. Es kann sich dabei beispielsweise um eine Heizung, eine Bohrmaschine, eine Kaffeemaschine oder ein TV-Gerät handeln. Diese Energiewandler werden dann oft als Kreise abgebildet. Bei Energieumwandlungen durch einen Energiewandler wird ein Teil der Energie in Wärme umgewandelt. Dieser Teil der Energie wird an die Umgebung abgegeben, er steht für die eigentliche Anwendung nicht mehr zur Verfügung. Man spricht dabei dann von der Energieentwertung.

Energieflussdiagramme werden in der Praxis häufig auch für Energieflüsse in einer Region (Erzeugung, Umwandlung, Nutzung) oder betriebliche Energieflüsse (einer Abteilung in einem Unternehmen oder einer gesamten Firma) eingesetzt.

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Videos:

1) → Was ist Energie - Energieformen

2) → Umwandlung der Energieformen

3) → Thermische Energie | alpha Lernen erklärt Physik

4) → Energieformen - Überblick

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Infotext - [02/03] Erneuerbare Energieträger

Als erneuerbare (regenerative) Energien werden Energiequellen bezeichnet, die im menschlichen Zeithorizont für nachhaltige Energieversorgung praktisch unerschöpflich zur Verfügung stehen oder sich verhältnismäßig schnell erneuern. Damit grenzen sie sich von fossilen Energieträgern ab, die endlich sind oder sich erst über den Zeitraum von Millionen Jahren regenerieren. Erneuerbare Energiequellen gelten, neben der effizienten Nutzung von Energie, als wichtigste Säule einer nachhaltigen Energiepolitik (Energiewende). Zu ihnen zählen Bioenergie, Geothermie, Wasserkraft, Meeresenergie, Sonnenenergie und Windenergie. Ihre Energie beziehen sie von der Sonne, die bei weitem die wichtigste Energiequelle ist, aus der Bewegungsenergie der Erddrehung und der Planetenbewegung sowie aus der erdinneren Wärme. 
Der Ausbau der erneuerbaren Energien wird in vielen Staaten weltweit vorangetrieben. 2018 deckten erneuerbare Energien 17,9 % des weltweiten Endenergieverbrauchs. Der Anteil am weltweiten Endenergieverbrauch stieg nur langsam um durchschnittlich 0,8 % pro Jahr zwischen 2006 und 2016. Höher ist der Anteil der erneuerbaren Energien am globalen Stromverbrauch. 2021 deckten Wasser-, Windkraft- und Photovoltaikanlagen ca. 25,6 % des Strombedarfs. Windkraft- und Solaranlagen lieferten 2021 mit 10,3 % erstmals mehr elektrische Energie als die Kernenergie mit 9,94 %.

Sonnenenergie (Strahlungsenergie)

Die Sonne emittiert große Mengen Energie, die als Solarstrahlung die Erde erreichen. Etwa 30 % der Strahlung wird reflektiert, der Rest der Energie die bis zur Erdoberfläche gelangt ist aber noch immer so enorm, dass dies derzeit circa dem 7.500 fachen des Weltjahresenergiebedarfs entspricht.
Sonnenenergie lässt sich direkt oder indirekt vielfältig nutzen. Die direkte Nutzung erfolgt mit Photovoltaikanlagen (elektrisch) sowie direkt als Sonnenwärme. Daneben „liefert“ die von der Atmosphäre und von der Erdoberfläche aufgenommene Sonnenenergie Bewegungsenergie und Lageenergie. Lageenergie entsteht, indem durch atmosphärische Prozesse Wasser in höhere Bereiche transportiert wird. Die Sonnenenergie erzeugt zudem in der Atmosphäre durch meteorologische Prozesse Winde. Diese Winde (= bewegte Luftmassen) enthalten Bewegungsenergie (Windenergie); sie erzeugen auf den Meeren Wellen (Wellenenergie). Pflanzen nehmen die Strahlung im Zuge der Photosynthese auf und wandeln sie in Biomasse um, die zur Energiewandlung genutzt werden kann. 
Grundsätzlich kann die Energie der Sonne neben der direkten Nutzung auch in Form von Bioenergie, Windenergie und Wasserkraft indirekt verwertet werden.

Geothermie (Erdwärme)

Die im Erdinneren gespeicherte Wärme stammt zum einen von Restwärme aus der Zeit der Erdentstehung. Zum anderen erzeugt Reibung zwischen fester Erdkruste und flüssigem Erdkern ständig weiterhin Wärme. Sie kann für Heizzwecke oder auch zur Stromerzeugung genutzt werden.

Bioenergie

Bioenergie ist eine aus Biomasse in elektrische Energie, Wärme oder Kraftstoff umwandelbare universell verwendbare Energieform. Sie greift auf Biobrennstoffe zurück, also Brennstoffe biologisch-organischer Herkunft. Biobrenn¬stoffe speichern in ihren chemischen Bindungen solare Strahlungsenergie, die von den Pflanzen durch Photosynthese fixiert wurde. Durch Verbrennung dieser Brennstoffe, kann diese Energie wieder freigesetzt werden.

Planetenbewegungen

Die Anziehungskraft von Sonne und Mond (und anderen Himmelskörpern) verursacht in und auf der rotierenden Erde die Gezeiten (Ebbe und Flut). Dabei wird die Drehgeschwindigkeit der Erde durch diese Energieumwandlung allmählich abgebremst. Die dadurch bewirkten Strömungen können als mechanische Energie in Gezeitenkraftwerken und Meeres-strömungskraftwerken genutzt werden.

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Infotext - [02/03] Fossile Energieträger

Fossile Energie wird aus Brennstoffen ge-wonnen, die in geologischer Vorzeit aus Abbauprodukten von toten Pflanzen und Tieren entstanden sind. Dazu gehören Braunkohle, Steinkohle, Torf, Erdgas und Erdöl. Man nennt diese Energiequellen fossile Energie-träger oder fossile Brennstoffe.
Fossile Energieträger ermöglichen gespeicherte (Sonnen)energie vergangener Urzeiten von vor vielen Millionen Jahren heute zu verwerten. Die technische Erschließung von fossilen Brennstoffen, zunächst fast ausschließlich Kohle, ermöglichte das kontinuier-liche Wirtschaftswachstum seit der Industriellen Revolution. Im Jahr 2005 wurden 81 % des weltweiten Energiebedarfs aus fossilen Quellen gedeckt.
Der Energiegehalt der aufgeführten fossilen Brennstoffe basiert auf dem Kohlenstoff-Gehalt. Bei der Verbrennung mit Sauerstoff wird Energie in Form von Wärme freigesetzt, darunter immer Kohlenstoffdioxid [ CO₂ ]. Daher ist die Verbrennung fossiler Energie-träger sowohl lokal als auch global „in hohem Maße umweltbelastend“. Fossile Energieträ-ger sind die Hauptquelle von menschengemachten Treibhausgasemissionen und damit der globalen Erwärmung.
Kernenergie wird mitunter als „fossile Energie“ angesehen, weil sie nicht erneuerbar ist. Doch Uranerz, der Rohstoff für die Herstellung von Brennstäben für Kernkraftwerke, ist allerdings nicht aus Abbauprodukten von toten Pflanzen und Tieren hervorgegangen.

Reserven

Die in der Erde lagernden Vorräte an fossilen Brennstoffen (fossile Energieträger), die nachgewiesen, sicher verfügbar und mit heutiger Technik wirtschaftlich gewinnbar sind, bezeichnet man als Energiereserven. Gleichbleibenden Energiebedarf und gleichbleibende Nutzung unterstellt, reichen die derzeit (Stand 2020) bekannten Welt-Energiereserven an Erdöl und Erdgas je etwa 50 Jahre und an Kohle circa 130 Jahre.

Erdöl / Erdgas

Erdöl ist ein in der Erdkruste eingelagertes Stoffgemisch. Es entstand aus abgestorbenen Kleinstlebewesen (mehrheitlich einzelligen Algen) sowie tierisches und pflanzliches Plankton, das auf dem Meeresgrund in sauerstofffreiem Wasser als Schlamm abgelagert wurden. Weil die Umwelt in geologischen Zeiträumen teils drastischen Änderungen unterworfen ist, stoppte irgendwann die Sedimentation (=Ablagerung) der Algenschlämme und diese wurden von anderen Sedimenten überlagert. Der Auflastdruck presste die Sedimentschichten zu einem feinkörnigen Sedimentgestein. Durch kontinuierliche Absenkung der regionalen Erdkruste gelangte das Gestein in zunehmend tiefere Krustenbereiche. Dort herrschten erhöhte Temperaturen. Unter diesen Bedingungen wurden die festen organischen Verbindungen im Gestein allmählich in flüssige und gasförmige Kohlenwasserstoffe umgewandelt. Die gasförmigen Kohlenwasserstoffe reichern sich dann in der Regel als Erdgas über dem flüssigen Erdöl an.

Kohle

Kohle ist ein schwarzes oder bräunlich-schwarzes Sedimentgestein das zu mehr als 50 Prozent des Gewichtes aus Kohlenstoff besteht. Sie entsteht aus pflanzlichen Überresten, die unter Luftabschluss – z. B. am Grund von Sümpfen und Mooren – verrotten und nach Versenkung in tiefere Bereiche der oberen Erdkruste erhöhten Drücken und Temperaturen ausgesetzt sind. Als hochwertigere Kohle gilt die Steinkohle, da diese sehr dicht und rein ist, das heißt, sehr wenig Fremdstoffe enthält. Der Brennwert der Steinkohle ist dementsprechend groß. Steinkohle wird deshalb, wie Erdöl, auch Schwarzes Gold genannt. Minderwertiger ist die Braunkohle, die schwächer verdichtet ist und einen größeren Schwefelanteil enthält; ihr Brennwert ist deutlich geringer.
 

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Videos:

1) → Wie entsteht Erdöl? | frage-trifft-antwort.de | Planet Schule

2) → Wie findet man Erdöl? | frage-trifft-antwort.de | Planet Schule

3) → Wie gewinnt man aus Erdöl Benzin und Diesel? | frage-trifft-antwort.de | Planet Schule

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Aufgaben:

Infotext - [04] Klimakiller CO₂

Kohlenstoffdioxid (CO₂), allgemeinsprachlich Kohlendioxid, ist als Spurengas mit einem Volumenanteil von etwa 0,04 % in der Erdatmosphäre enthalten. 
Trotz der geringen Konzentration ist Kohlenstoffdioxid für das Leben auf der Erde in vielerlei Hinsicht von elementarer Bedeutung: Pflanzen nehmen das für sie lebensnotwendige Spurengas auf und geben Sauerstoff ab (Photosynthese), während bei der Atmung der allermeisten Lebewesen und vielen anderen natürlichen Prozessen Kohlenstoffdioxid freigesetzt und in die Erdatmosphäre abgegeben wird.
Als Treibhausgas beeinflusst CO₂ durch den Treibhauseffekt das Klima der Erde und durch seine Löslichkeit in Wasser den pH-Wert der Ozeane wesentlich. Im Verlauf der Erdgeschichte schwankte der atmosphärische CO₂-Gehalt erheblich und war häufig an einer Reihe gravierender Klimawandel-Ereignisse direkt beteiligt.
Im April 2021 wurde am Mauna-Loa-Observatorium auf Hawaii erstmals eine Konzentration von mehr als 420 ppm gemessen (Einheit: ppm - Parts per million, dt. „Teile auf eine Million Teile“ – ein Millionstel). Über große Teile der vorindustriellen Epoche bis etwa zur Mitte des 19. Jahrhunderts lag dieser Wert noch im Bereich von 280 ppm.

Treibhausgase

Treibhausgase sind Spurengase, die zum Treibhauseffekt eines Planeten beitragen. CO₂ ist dabei nur ein Beispiel! Es gibt noch weitere Treibhausgas die den Klimawandel negativ beeinflussen! Sie nehmen einen Teil der von der Planetenoberfläche abgegebenen Wärmestrahlung auf, die sonst unmittelbar ins Weltall abgegeben würde. Die dabei aufgenommene Energie geben sie entsprechend ihrer lokalen Temperatur dann wieder an die direkte Umgebung ab. Auf der Erde vollzieht sich dieser Effekt in der Troposphäre (= Erdatmosphäre bis zur Höhe von 15 km über der Erdoberfläche). Die beteiligten Treibhausgase können sowohl natürlichen Ursprungs sein, als auch durch menschliche Aktivitäten (anthropogen) entstanden sein. 
Die natürlichen Treibhausgase, insbesondere Wasserdampf, heben die durchschnittliche Temperatur an der Erdoberfläche um etwa 33 °C auf +15 °C an.
Weitere Treibhausgase neben dem  Kohlenstoffdioxid (CO₂) sind Methan (CH₄) und Lachgas (N₂O). 
Methan entsteht circa zur einen Hälfte in der globalen Land- und Forstwirtschaft und anderweitiger Nutzung von Land und Biomaterial, in der Tierproduktion (vor allem bei Wiederkäuern wie Rindern, Schafen und Ziegen), in Klärwerken und Mülldeponien. Zur anderen Hälfte wird es im industriellen Bereich durch Leckagen bei Förderung, Transport und Verarbeitung vor allem von Erdgas und bei der unvollständigen Verbrennung beim Abfackeln von technisch nicht verwertbaren Gasen frei.
Lachgas (N₂O) ist ein Treibhausgas, dessen Treibhauswirksamkeit 298-mal so groß ist wie die von CO₂. 82 % der menschengemachten Lachgas-Emissionen gehen auf die Landwirtschaft (Viehhaltung, Düngemittel und Anbau von Biomasse) zurück.
Die Konzentrationen der Treibhausgase in der Erdatmosphäre steigen momentan stetig an. 

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Videos:

1) → Was ist eigentlich CO₂?

2) → Treibhausgase: Die CO₂-Jagd hat begonnen - FUTURE - ARTE

3) → Klimawandel – der CO₂-Beweis | Harald Lesch

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Videos:

1) → Smog in China | Journal

2) → Die rücksichtslose Expansion der Kreuzschifffahrt | Panorama 3 | NDR

3) → Die Feinstaublüge: Nachhaltige Umweltverschmutzung | Kontrovers | BR Fernsehen

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Videos:

1) → Wie arbeitet ein Solarkraftwerk? | frage-trifft-antwort.de | Planet Schule

2) → Solarenergie - Welt der Wunder

3a) → Desertec (Teil 1) - Technologie für Strom aus der Wüste

3b) → Desertec (Teil 2) - ein neues Netz für Europa

Videos:

1) → Kurz und Knapp | Wie funktioniert eine Turbine? Heißer Dampf wird zu Strom!

2) → Wirkungsgrad | Grundbegriffe | Begriffserklärung

3) → GUD Kraftwerke Funktionsweise Gas- und Dampfturbinenkraftwerk

4) → Gas- und Dampfturbinen-Heizkraftwerk Stadtwerke Leipzig (3D-Computeranimation)

5) → So funktioniert Kraft-Wärme-Kopplung

Videos:

1) → Was passiert im Flusskraftwerk? | frage-trifft-antwort.de | Planet Schule

2) → Das Wasserkraftwerk

3) → Wie wird ein Stausee zu Strom? | frage-trifft-antwort.de | Planet Schule

4) → Strom aus den Bergen: das Speicherkraftwerk - Planet Schule - SWR

4) → Strom aus dem Fluss, das Laufwasserkraftwerk - Planet Schule - SWR

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Videos:

1) → Wie kommt Wärme aus der Tiefe - Geothermie - Planet Schule - SWR

2) → Wie Energie aus der Erde kommt - Planet Schule - SWR

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Videos:

1) → Wie kann ich mehr Energie sparen? | Galileo | ProSieben

2) → Energie sparen im Alltag - Unsere Tipps

3) → Energie sparen ohne Komfortverzicht: Nicht investive Maßnahmen

4) → Planet Wissen - Energiesparen

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Quellenangaben zu den Inhalten auf dieser Seite

Dieser Text basiert auf den Artikeln Energie und James Prescott Joule aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar. Die Abbildungen wurden von Pixabay entnommen.

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Dieser Text basiert auf den Artikeln Erneuerbare Energien und Bioenergie aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.

Dieser Text basiert auf dem Artikel Fossile Energie aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.

Dieser Text basiert auf den Artikeln Kohlenstoffdioxid in der Erdatmosphäre und Treibhausgas aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.