Energietechnik (2)

Infotext - Wasserkraft

Die Wasserkraft ist eine regenerative Energiequelle. Der Begriff bezeichnet die Umsetzung gespeicherter Energie des Wassers mittels einer Wasserkraftmaschine in mechanische Arbeit.
Bis zum Anfang des 20. Jahrhunderts wurde Wasserkraft hauptsächlich in Mühlen genutzt. Heute wird fast immer elektrische Energie mit Hilfe von Generatoren erzeugt. 2020 war Wasserkraft mit 16,2% nach der Verstromung von Kohle und Erdgas und vor der Kernenergie die drittbedeutendste Form der elektrischen Energieerzeugung. 

Wasserkraft früher

Die Geschichte der Wasserkraft geht weit zurück. Historiker vermuten, dass sie in China bereits vor 5000 Jahren genutzt wurde. Weitere alte Kulturen am Nil, Euphrat und Tigris und am Indus haben vor 3500 Jahren die ersten, durch Wasserkraft angetriebenen Maschinen in Form von Wasserschöpfrädern zur Bewässerung von Feldern eingesetzt. Zu Zeiten der Römer und Griechen wurde Wasser dann als Antriebsmittel für Arbeitsmaschinen in vielfältiger Art und Weise genutzt. 
Ab dem 9. Jahrhundert n. Chr. wurde das tiefschlächtige Wasserrad eingesetzt. Fünf Jahrhunderte später wurde das oberschlächtige Wasserrad erfunden. (Siehe hierzu die Abbildungen auf der Folie.) 1767 stellte der englische Bauingenieur John Smeaton das erste Wasserrad aus Gusseisen her, was eine wesentliche Voraussetzung für die industrielle Revolution war. Ende des 18. Jahrhunderts gab es in Europa etwa 500.000 bis 600.000 Wassermühlen. Als Werner von Siemens 1866 den elektrodynamischen Generator erfand, wurde die Umwandlung von Wasserkraft in elektrische Energie möglich.
Die Bezeichnung „Weiße Kohle“ verdeutlicht die Bedeutung, die man dieser Energiequelle beimaß. Der Begriff leitet sich ab vom Wasser der Bergregionen, das oft weiß-schäumend zu Tal fließt. Einen wesentlichen Schub erhielt die Wasserkraft mit der Elektrifizierung der Eisenbahnstrecken. Gerade in den Bergregionen, wo Wasserkraft ortsnah vorhanden ist, bauten Eisenbahngesellschaften Kraftwerke. Die Elektrizität ist auch „die kleine Schwester der Eisenbahn“ genannt worden. 

Nutzung heute 

Wasserkraft verfügt über ein großes Potential zur Erzeugung elektrischer Energie, wobei die jeweiligen Potentiale abhängig von Niederschlagsmengen und topographischen bzw. geographischen Verhältnissen regional sehr stark schwanken. In Deutschland waren Ende des Jahres 2006 7.300 Anlagen aktiv und leisteten 2007 zur gesamten Erzeugung elektrischer Energie einen Beitrag von 3,4 %. Der Vergleich zeigt die Unterschiede: In Österreich sind es ca. 56,6 % und in der Schweiz ca. 52,2 %.

Hydrologie

Die Hydrologie (altgriechisch ‚Wasser‘ und ‚Lehre‘) ist die Wissenschaft, die sich mit dem Wasser in der Biosphäre der Erde befasst. Für die Wasserkraft hat der Wasserkreislauf eine große Bedeutung. Er beschreibt die Bewegungen des Wassers auf regionaler und globaler Ebene. Angetrieben durch die Strahlungsenergie der Sonne durchläuft das Wasser verschiedene Aggregatzustände. Im Prinzip funktioniert der Kreislauf wie folgt: Wasser verdunstet aus Oberflächengewässern (Meere, Seen, Flüsse) und steigt in Form von Wasserdampf in die Atmosphäre auf. Dort kondensiert es, worauf es vorwiegend als Regen oder Schneefall wieder auf die Erdoberfläche gelangt. Durch topographische Bedingungen entstehen Einzugsgebiete, in denen der Niederschlag Flüsse mit Wasser anreichert.

Vor- und Nachteile der Wasserkraft

In Stauseen entstehen Gase wie CO₂ und Methan. Verglichen mit den gesamten durch menschliche Nutzung verursachten jährlichen Kohlenstoffemissionen (Abgasen) sind dies aber eher geringe Mengen. Die Wasserkraftwerke spielen diesbezüglich global also keine große Rolle als Kohlenstoffemittenten. Andererseits können die großen Wasserflächen aber durch die Wasserverdunstung regional auch positiv zum Klima beitragen.

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

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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Aufgaben:

1. Die Wasserkraft ist eine regenerative Energiequelle. Welchen Anteil hat sie bei der Erzeugung elektrischer Energie im Vergleich zu anderen Energiequellen?
2. Welche Rolle spielt die Wasserkraft bei der Erzeugung elektrischer Energie in Deutschland im Vergleich zu anderen Ländern? 
   a) Für das Jahr 2007 findest du im Text die entsprechenden Angaben.
   b) Welchen Grund hat dieser Unterschied in den verschiedenen Ländern?
3. Die Geschichte der Wasserkraft geht weit zurück. Welche Rolle spielte sie früher bei den Römern?
4. Wasserkraft spielt auch bei der Erzeugung von elektrischer Energie eine wichtige Rolle. Wer hatte hierfür den entscheidenden Beitrag geleistet und wann war das?
5. Für die Wasserkraft spielt ein hydrologischer Kreislauf eine wichtige Rolle. Fasse diesen kurz zusammen.
6. Durch Wasserkraftnutzung entstehen auch Abgase. Welche Rolle spielt das für unser Klima?

Infotext - Biomasse / Bioenergie

Als Biomasse wird die Stoffmasse von Lebewesen oder deren Körperteilen bezeichnet. Bioenergie ist eine aus Biomasse in elektrische Energie, Wärme oder Kraftstoff umwandelbare universell verwendbare Energieform.
Energietechnische Biomasse umfasst ausschließlich solche biotischen Stoffe, die als Energiequellen genutzt werden können. Sie umfasst also ausschließlich tierische und pflanzliche Erzeugnisse, die zur Gewinnung von Heizenergie, von elektrischer Energie und als Kraftstoffe verwendet werden können. Als Formen energietechnisch berücksichtigter Biomasse gelten: Holzpellets, Hackschnitzel, Stroh, Getreide, Altholz, pflanzliches Treibgut, Biodiesel und Biogas. Energietechnisch relevante Biomasse kann demnach in gasförmiger, flüssiger und fester Form vorliegen.
Biomasse hat für Menschen eine wichtige Funktion als Lebensmittel und als Futtermittel in der Tierzucht, Rohstoff und Energieträger (so genannte Bioenergien wie Brennholz, Biokraftstoff etc.). Der Mensch nutzt derzeit einen beträchtlichen Teil der weltweit verfügbaren Biomasse. Aber auch vom Menschen nicht genutzte Biomasse hat eine wichtige Funktion in Ökosystemen, beispielsweise als Nährstoff oder Lebensraum für verschiedene Lebewesen. Darüber hinaus sind große Mengen Kohlenstoff in Biomasse gespeichert, die beim Abbau der Biomasse als das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid (CO₂) freigesetzt werden. Biomasse spielt deshalb eine bedeutende Rolle für das Klima.

Vorteile
Die Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen kann der Schonung von Rohstoffressourcen, wie beispielsweise Erdöl, dienen. Bei regionaler Bereitstellung der nachwachsenden Rohstoffe kann die politische und ökonomische Abhängigkeit zum Beispiel von Staaten mit großen Erdölvorkommen, sinken.
Erneuerbare Energien aus nachwachsenden Rohstoffen ermöglichen eine CO₂-neutrale bzw. eine CO₂-ärmere Energieerzeugung.
Nachwachsende Rohstoffe lassen sich relativ günstig lagern.

Nachteile
Bei Ausweitung der Biomassenutzung auf bislang ungenutzte Naturflächen (zum Beispiel Rodung von Wäldern) können Ökosysteme zerstört und die Biodiversität gefährdet werden. Vor allem bei der Brandrodung werden außerdem große Mengen CO₂ freigesetzt.
Die zunehmende energetische und stoffliche Nutzung kann zur Flächenkonkurrenz gegenüber der Nahrungsmittelproduktion führen. 
Bei der landwirtschaftlichen Biomasseerzeugung werden Düngemittel (Stickstoff-, Phosphor-, Kali-Dünger und andere Dünger) eingesetzt, was zu Treibhausgasemissionen (Distickstoffmonoxid aus Stickstoffdünger), Nitrat-Eintrag (NO3⁻) ins Grundwasser und weiteren Schädigungen führt. Durch Pestizid­einsatz können Umwelt- und Gesundheitsschäden entstehen.

Durch die Ausweitung der Bewässerung landwirtschaftlicher Flächen werden Wasserressourcen genutzt, die ökologisch wichtig sind oder andernorts die Trinkwasserversorgung sicherstellen sollten.

Biogene Erzeugung von Wärme und Elektrizität
In energietechnischen Anlagen zur Nutzung von Biomasse werden verschiedene Prinzipien der Energiewandlung eingesetzt. Beispielsweise sind Biomassekraftwerke ganzjährig betriebene Anlagen zur Biomasseverfeuerung, die über Dampfturbinen Elektrizität produzieren. Zum Einsatz kommen vorwiegend Gebrauchtholz (Altholz) sowie preisgünstige sonstige Holzsegmente (Restholz). 
Weiterhin nutzen Biomasseheizkraftwerke ganzjährig Biomasse, um Wärme und auch elektrische Energie zu erzeugen. Dabei kommen meist Dampfturbinen zum Einsatz. Neben Forstholz (Waldrestholz) und Industrierestholz als hauptsächlichem Brennstoff können auch landwirtschaftliche Erzeugnisse wie Holz und Stroh genutzt werden. 

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

Videos:

1) → Ist Biomasse die beste Öko-Energieform? - Klimawissen kurz und bündig

2) → Energie aus Biomasse - total phänomenal | Planet Schule

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Aufgaben:

1. Was versteht man unter „energietechnische Biomasse“? 
2. Nenne die aufgeführten Beispiele für „energietechnische Biomasse“.
3. Welche Rolle spielt Biomasse für unser Klima?
4. Welche politische und ökonomische Rolle spielt Biomasse?
5. Die Nutzung von Biomasse hat aber auch Nachteile. Welcher Zusammenhang besteht dabei im Hinblick auf die Wasserressourcen?
6. Welchen Zweck haben Biomasseheizkraftwerke und welche Energieträger kommen dort zum Einsatz?

Infotext - (13) - Wasserstoff (1)

Wasserstoff ist ein chemisches Element mit dem Symbol H (für lateinisch Hydrogenium „Wasserbildner“) und der Ordnungszahl 1. Im Periodensystem steht das Element Wasserstoff an der ersten Stelle. Wasserstoff ist mit einem Massenanteil von etwa 70 % das häufigste chemische Element im Universum. Der Großteil des Wasserstoffs auf der Erde ist im Wasser gebunden, der Verbindung mit Sauerstoff. 
Wasserstoff ist das chemische Element mit der geringsten Atommasse. Es besteht im Normalfall aus nur einem Proton und einem Elektron. Unter Bedingungen, die normalerweise auf der Erde herrschen, liegt das gasförmige Element Wasserstoff nicht als atomarer Wasserstoff (also einzelne Atome) vor, sondern als molekularer Wasserstoff mit dem Symbol H₂, als ein farb- und geruchloses Gas.  Es verbinden sich also zwei Atome zu einem Molekül. 
Entdeckt wurde Wasserstoff vom englischen Chemiker und Physiker Henry Cavendish im Jahre 1766, als er mit Metallen (Eisen, Zink und Zinn) und Säuren experimentierte. Cavendish nannte das dabei entstandene Gas wegen seiner Brennbarkeit „inflammable air“ („brennbare Luft“). Er untersuchte das Gas eingehend. Auf ähnliche Weise (Einwirkung von Säuren auf Metalle) hatten allerdings schon im 17. Jahrhundert Théodore Turquet de Mayerne (um 1620) und Robert Boyle (um 1670) ein Gas erzeugt, das sie Knallgas genannt hatten.
Eine genauere Analyse erfolgte aber erst durch Antoine Laurent de Lavoisier, der erkannte, dass bei der Verbrennung des Gases Wasser entstand und deshalb das brennbare Gas als „hydrogène“ bezeichnete (lateinisch hydrogenium: „Wasser erzeugender Stoff“) und ihm damit seinen heutigen Namen gab. Cavendish hatte inzwischen ebenfalls erkannt, dass bei der Verbrennung von Wasserstoff Wasser entsteht. Lavoisier untersuchte das entstandene Gas weiter und zeigte in weiteren Experimenten, dass sich aus dem Gas umgekehrt Wasser erzeugen lässt.

Vorkommen
Wasserstoff ist das häufigste chemische Element in der Sonne und den großen Gasplaneten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun, die über 99,99 % der Masse des Sonnensystems in sich vereinen. Wasserstoff stellt 75 % der gesamten Masse beziehungsweise 93 % aller Atome des Sonnensystems.
Auf der Erde ist der Massenanteil wesentlich geringer. Bezogen auf die Erd-Gesamtmasse ist der Anteil etwa 0,03 %. Der größte Anteil des Wasserstoffs an der Erdoberfläche kommt in der Verbindung Wasser vor. In dieser Form bedeckt er über zwei Drittel der Erdoberfläche.

Wasserstoffwirtschaft 
Eine Wasserstoffwirtschaft ist ein Konzept einer Energiewirtschaft, die Wasserstoff als Energieträger verwendet. Freier Wasserstoff kommt in der Natur in technisch nicht nutzba-rer Form vor. Der vom Menschen genutzte Wasserstoff wird mit Hilfe anderer Energie-quellen (fossile Energie, Kernenergie oder erneuerbare Energien) in einem ersten Schritt chemisch erzeugt. Daher ist eine Was-serstoffwirtschaft nicht automatisch umwelt-freundlich, sondern nur so nachhaltig wie die genutzten Primärenergien. Derzeit geschieht die Gewinnung von Wasserstoff hauptsäch-lich auf Basis fossiler Energieträger. Konzepte für eine zukünftige Wasserstoffwirtschaft sehen zumeist die Gewinnung aus erneuer-baren Energien (grüner Wasserstoff) vor, womit die Bilanz einer solchen Wasserstoff-wirtschaft emissionsarm sein könnte.

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

Videos:

1) → Alternative zu russischem Gas: Was kann Wasserstoff? | ZDFheute erklärt

2) → Wie Wasserstoff die Kohle der Zukunft werden kann | Gut zu wissen | Doku

3) → Wasserstoffwirtschaft: Energiewende mit grünem Wasserstoff | Gut zu wissen

4) → Wasserstoff - Die energet(h)ische Alternative

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Infotext - (14) - Wasserstoff (2) - Elektrolyse

Elektrolyse nennt man einen chemischen Prozess, bei dem Wasserstoffgas (H₂) und Sauerstoffgas (O₂) aus Wasser (H₂O) hergestellt werden. Sie wird weiterhin beispielsweise auch zur Gewinnung von Metallen verwendet, oder zur Herstellung von Stoffen, deren Gewinnung durch rein chemische Prozesse teurer oder kaum möglich wäre. 
Eine Elektrolyse erfordert eine Gleichspannungsquelle, welche die elektrische Energie liefert und die chemischen Umsetzungen vorantreibt. Ein Teil der elektrischen Energie wird in chemische Energie umgewandelt. Genau dem umgekehrten Zweck, der Umwandlung von chemischer Energie in elektrische, dienen Batterien, Akkumulatoren (kurz: „Akku“) oder Brennstoffzellen: sie dienen als elektrische Energiequelle. Wenn man einen Akkumulator lädt, läuft eine Elektrolyse ab, die die chemischen Vorgänge während der Entladung rückgängig macht. Elektrolysen können daher der Energiespeicherung dienen, beispielsweise bei der Elektrolyse von Wasser, die Wasserstoff und Sauerstoff ergibt, die als Energieträger einer Wasserstoffwirtschaft vorgeschlagen wurden. Durch die Umkehrung der Wasserelektrolyse in einer Brennstoffzelle kann etwa 40% der ursprünglich eingesetzten elektrischen Energie wieder zurückgewonnen werden.
Die Abscheidung von Metallen aus einer Lösung, die die entsprechenden Metallionen enthält, durch einen von außen aufgeprägten elektrischen Strom ist ebenfalls eine Elektrolyse. Dies kann zur Erzeugung von Metallschichten dienen, beispielsweise beim Verchromen. Oft werden auf diese Art auch am Tag der offenen Tür Geldstücke vergoldet; diese Art der Elektrolysen sind Gegenstand der Galvanotechnik. 

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

Videos:

1) → Elektrolyse

2) → Elektrolyse - einfach erklärt mit Versuch! | Lehrerschmidt

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Infotext - (15) - Wasserstoff (3) - Brennstoffzelle

Brennstoffzelle 
Eine Brennstoffzelle ist ein technisches Gerät, das zu den elektrischen Energiequellen zählt: Sie wandelt chemische Energie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes in elektrische Energie um. Mit Brennstoffzelle ist oft eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle gemeint. Bestimmte Brennstoffzellentypen können statt Wasserstoff andere Brennstoffe nutzen, insbesondere Methanol, Butan oder Erdgas. 
Brennstoffzellen sind keine Energiespeicher, sondern Energiewandler, denen ein Brennstoff (Energie in chemisch gebundener Form) zugeführt wird. Ein komplettes Brennstoffzellensystem kann aber zusätzlich einen Brennstoffspeicher enthalten.
Die gemessen an der Zahl der installierten Geräte wichtigsten Anwendungen der Brennstoffzelle sind die netzunabhängige Stromversorgung sowie – vor allem in Japan – die Versorgung von Gebäuden mit Wärme und Elektrizität in Brennstoffzellenheizungen.
Die nach der Gerätezahl zweithäufigste Anwendung der Brennstoffzelle ist die Versorgung netzferner Geräte wie Messstationen oder Elektrogeräte beim Camping. Für diesen Zweck verwendet man Direktmethanolbrennstoffzellen.
Auch für den innerbetrieblichen Warentransport sowie für Brennstoffzellenfahrzeuge wird die Technik genutzt.

Geschichte
Das Prinzip der Brennstoffzelle wurde 1838 von Christian Friedrich Schönbein gefunden, als er zwei Platindrähte in verdünnter Schwefelsäure mit Wasserstoff bzw. Sauerstoff umspülte und zwischen den Drähten eine elektrische Spannung bemerkte. Sir William Grove erkannte zusammen mit Schönbein die Umkehrung der Elektrolyse und das Erzeugen von elektrischem Strom.
Recht bald war man von den Brennstoffzellen begeistert: Man hoffte, Kohle und Dampfmaschinen zu ersetzen. 1875 schrieb der Science-Fiction-Autor Jules Verne in seinem Buch „Die geheimnisvolle Insel“ über die Brennstoffzelle:
„Das Wasser ist die Kohle der Zukunft. Die Energie von morgen ist Wasser, das durch elektrischen Strom zerlegt worden ist. Die so zerlegten Elemente des Wassers, Wasserstoff und Sauerstoff, werden auf unabsehbare Zeit hinaus die Energieversorgung der Erde sichern.“
Wegen der Erfindung des elektrischen Generators, damals Dynamomaschine genannt, durch Werner von Siemens geriet die als „galvanische Gasbatterie“ bezeichnete Erfindung in Vergessenheit. Die Dynamomaschine war in Verbindung mit der Dampfmaschine (bezüglich Brennstoff und Materialien) relativ einfach und unkompliziert und wurde zu dieser Zeit der komplexen Brennstoffzelle vorgezogen.
Erst in den 1950er Jahren wurde die Idee wieder aufgegriffen, da in der Raumfahrt und beim Militär kompakte und leistungsfähige Energiequellen benötigt wurden.

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

Videos:

1) → 2 Minuten Wissen - Wie funktioniert eine Brennstoffzelle?

2) → Brennstoffzelle Erklärung und Funktion

3) → William Robert Grove & die Brennstoffzelle (Meilensteine der Naturwissenschaft & Technik)

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Geothermie

Geothermie bezeichnet sowohl die geowissenschaftliche Untersuchung der thermischen Situation als auch die ingenieurtechnische Nutzung der Erdwärme.
Erdwärme ist die im zugänglichen Teil der Erdkruste gespeicherte Wärme (thermische Energie), sie kann aus dem Erdinneren stammen oder (beispielsweise in Frostböden) durch Niederschläge oder Schmelzwässer eingebracht worden sein und zählt zu den regenerativen Energien, die durch Erdwärmeübertrager entzogen und genutzt werden können. Erdwärme kann beispielsweise zum Heizen oder zur Erzeugung von elektrischem Strom genutzt werden. 
Geothermie ist eine Kerntechnologie der Energiewende.  Ziel der Energiewende ist es den Verbrauch fossiler Brennstoffe drastisch zu reduzieren oder im Idealfall auf Null zu senken. 

Nutzung von Erdwärme
Die Geothermie hat das Potential, ganze Großstädte mit erneuerbarer Wärme zu versorgen. Die Geothermie ist global gesehen eine langfristig nutzbare Energiequelle. Mit den Vorräten, die in den oberen drei Kilometern der Erdkruste gespeichert sind, könnte im Prinzip rechnerisch und theoretisch der derzeitige weltweite Energiebedarf für über 100.000 Jahre gedeckt werden. Allerdings ist nur ein kleiner Teil dieser Energie technisch nutzbar und die Auswirkungen auf die Erdkruste bei umfangreichem Wärmeabbau sind noch unklar. Bei der Nutzung der Geothermie unterscheidet man zwischen direkter Nutzung, also der Nutzung der Wärme selbst, und indirekter Nutzung, der Nutzung nach Umwandlung in Strom in einem Geothermiekraftwerk. Nicht an jedem Kraftwerksstandort werden sich Abnehmer für die Wärme finden lassen, deshalb werden wird die indirekte Nutzung teilweise notwendig.

Oberflächennahe Geothermie
Oberflächennahe Geothermie bezeichnet die Nutzung der Erdwärme bis ca. 400 m Tiefe. Aus geologischer Sicht ist jedes Grundstück für eine Erdwärmenutzung geeignet. Jedoch müssen wirtschaftliche, technische und rechtliche Aspekte beachtet werden. Der erforderliche Erdwärmeübertrager muss für jedes Gebäude passend dimensioniert werden. Er hängt von dem benötigten Bedarf an Wärmemenge, Wärmeleitfähigkeit und Grundwasserführung des Untergrundes ab. Die Kosten einer Anlage richten sich nach der erforderlichen Größe der Anlage. Diese errechnen sich aus dem Energiebedarf des Hauses und den geologischen Untergrundverhältnissen. Der Erdwärmetransport erfolgt über Rohrleitungssysteme mit einer zirkulierenden Flüssigkeit, welches in der Regel mit einer Wärmepumpe verbunden ist. Das beschriebene System kann auch kostengünstig zur Kühlung genutzt werden.

Generierung elektrischer Energie
Die Generierung elektrischer Energie funktioniert nach dem Prinzip der Wärmekraftmaschinen und ist durch die gegebene Temperaturdifferenz begrenzt. Deswegen sind für geothermische Kraftwerke verglichen mit Verbrennungskraftwerken die Voraussetzung zur Erzeugung elektrischer Energie eher ungünstig. Die Geothermie ist aber an einigen Orten als Energiequelle nahezu unerschöpflich verfügbar. Deshalb ist es dort trotzdem durchaus sinnvoll, dass auch die Generierung elektrischer Energie zum Einsatz kommt.

Risiken seismischer Ereignisse
Kleinere, kaum spürbare Erderschütterungen sind bei Projekten der tiefen Geothermie möglich. Im späteren Verlauf, soweit nur der Dampf entzogen wird und nicht reinjiziert wird, ist es durch Kontraktion des Speichergesteins zu Landabsenkungen gekommen (beispielsweise in Neuseeland, Island, Italien). Diese Probleme führten bereits zur Einstellung von Geothermieprojekten.

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

Wärmepumpen

Eine Wärmepumpe ist eine Kraftwärmemaschine (siehe Folie [07]), die unter Aufwendung mechanischer Arbeit thermische Energie aus einem Reservoir mit niedrigerer Temperatur (in der Regel ist das die Umgebung) aufnimmt und – zusammen mit der Antriebsenergie – als Nutzwärme auf ein zu beheizendes System mit höherer Temperatur überträgt. Eingesetzt werden können Wärmepumpen sowohl alleine, aber auch in Kombination mit anderen Heizungsarten.
Der verwendete Prozess ist die Umkehrung des Wärme-Kraft-Prozesses. Dabei wird Wärmeenergie bei hoher Temperatur aufgenommen, teilweise in mechanische Nutzarbeit umgewandelt und die Restenergie bei niedrigerer Temperatur als Abwärme abgeführt. Wärmepumpen werden einerseits für Heizzwecke eingesetzt. Anwendungen findet sie bei Wärmepumpenheizungen zur Erwärmung von Gebäuden, bei der Trinkwassererwärmung oder beim Einsatz in Wäschetrocknern. Wärmepumpen verwendet man andererseits aber auch zum Kühlen (so beim Kühlschrank). 

Funktionsprinzip
Bei der Wärmepumpe werden physikalische Effekte des Übergangs einer Flüssigkeit in den gasförmigen Aggregatzustand und umgekehrt ausgenutzt. So kann zum Beispiel Propan in Wärmepumpen als sogenanntes Kältemittel verwendet werden, da es in dem Temperaturbereich für Gebäudeheizungen im gasförmigen oder flüssigen Zustand auftritt. Das Kältemittel wird in einem Kreislauf gepumpt und durchläuft die verschiedenen Aggregatzustände dabei immer wieder im Wechsel.

Varianten von Wärmepumpensystemen:
Wasser/Wasser-Wärmepumpe (WWWP): Entzug der Wärme aus dem Grundwasser aus Oberflächenwässern oder Abwässern.
Sole/Wasser-Wärmepumpe (SWWP): Als Wärmequellen dienen dabei beispielsweise Erdwärmesonden und Erdwärmekollektoren mit denen dem Erdreich Wärme entzogen oder zugeführt wird. (Erdwärmekollektoren sind Erdwärmeübertrager, die überwiegend aus horizontal im Erdreich verlegten Kunststoffrohren bestehen. Bei Erdwärmesonden wird hingegen eine vertikale Bohrung im Erdreich genutzt.)
Luft/Wasser-Wärmepumpe (LWWP): Entzug der Wärme aus Abluft oder Außenluft. Die Wärmeabgabe erfolgt über wasserführende Heizsysteme. Das ist preiswert und wird häufig verwendet.
Luft/Luft-Wärmepumpen (LLWP): Diese werden nur in großen Gebäuden zur Erwärmung oder Kühlung der Zuluft von Lüftungsanlagen (Klimaanlagen) verwendet. 

Geschichte
Die Geschichte der Wärmepumpe begann im 19. Jahrhundert. Sie wird je nach Nutzung der zu- oder der abgeführten Wärme als Kältemaschine oder als Wärmepumpe bezeichnet. Ziel war noch lange Zeit die künstliche Eiserzeugung zu Kühlzwecken. Dem aus den USA stammenden Jacob Perkins ist 1834 der Bau einer entsprechenden Maschine als erstem gelungen. Lord Kelvin sagte die Wärmepumpenheizung bereits 1852 voraus. Er erkannte, dass eine solche Heizeinrichtung dank des Wärmeentzuges aus der Umgebung (Luft, Wasser, Erdreich) weniger Primärenergie benötigen würde als beim konventionellen Heizen. Aber es sollte noch rund 85 Jahre dauern, bis die erste Wärmepumpe zur Raumheizung in Betrieb ging. Ab 1990 begann eine rasante Verbreitung der Wärmepumpenheizung. Dieser Erfolg fußt auf technischen Fortschritten, größerer Zuverlässigkeit, ruhigeren und effizienteren Kompressoren sowie besserer Regelung – aber nicht weniger auch auf besser ausgebildeten Planern und Installateuren, Gütesiegeln für Mindestanforderungen und nicht zuletzt auch auf einer massiven Preisreduktion.

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

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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Aufgaben:

Energiespeicher

Energie ist in sogenannten Energieträgern gespeichert. Sie unterscheiden sich in ihrer Energiedichte, der Transport- und Lagerfähigkeit. Als Primär- oder Rohenergieträger bezeichnet man Energieträger, die in der Natur zu finden sind, insbesondere die fossilen Brennstoffe. Primäre Energieträger sind fossile Energieträger (Erdöl, Kohle, Erdgas), Kernbrennstoffe (Uran und Plutonium), Erneuerbare Energien (Sonnenlicht, Biomasse, Wind, Fließwasser) oder Fett, Kohlenhydrate und Proteine in der Nahrung. Sekundäre Energieträger werden zunächst aus den primären Energieträgern gewonnen. Beispiele sind Kraftstoffe aus der Erdölraffinerie, Ethanol aus der Vergärung von Biomasse oder Wasserstoff beispielsweise aus Windenergie.

Künstliche Energiespeicher können Energie aus anderen Energieformen aufnehmen und später wieder abgeben. Sie dienen also der Speicherung von momentan verfügbarer, aber nicht benötigter Energie zur späteren Nutzung. Diese Speicherung geht technisch häufig mit einer Wandlung der Energieform einher, beispielsweise von elektrischer in chemische Energie (Akkumulator) oder bei einem Pumpspeicherkraftwerk von elektrischer in Lageenergie. Im Pumpspeicherkraftwerk wird dabei beispielsweise Wasser auf ein höheres Niveau gepumpt. Die dafür notwendige Energie wird dann wieder frei, wenn das Wasser abgelassen wird. Im Bedarfsfalle wird die Energie dann in die gewünschte Form zurückgewandelt. Sowohl bei der Speicherung als auch bei der Energieumwandlung treten aber immer – meist thermische – Verluste auf.
Energiespeicher werden nach Energieform und Speicherdauer eingeteilt. Nach der Energieform eingeteilt unterscheidet man beispielsweise chemische Energiespeicher (Batterie, Akku, Wasserstoff, …), mechanische Energiespeicher (Schwungrad, mechanische Feder, Pumpspeicherkraftwerke, …) oder elektrische Energiespeicher (elektrische Kondensatoren und Spulen). Zudem lassen sich Energiespeicher anhand der Speicherdauer in Kurzzeit- und Langzeitspeicher unterteilen. Beispielsweise erfordern unterschiedliche Schwankungsmuster bei der Stromerzeugung mittels Photovoltaik (PV) und Windkraftanlagen einerseits und dem Stromverbrauch andererseits Speicherkapazitäten für verschieden lange Zeiträume. 

Elektrische Energie

Bei elektrischer Energie muss unterschieden werden, ob kleine Energiemengen (z.B. innerhalb elektrischer Geräte) oder große gespeichert werden sollen. Bei großen Energiemengen wird die Energie zunächst in eine andere Energieform umgewandelt und bei Bedarf wiederum (mit Energieverlust) zurückgewandelt. Während der Speicherdauer verliert der Speicher selbst Energie. Die Summe aller Einzelverluste kann erheblich sein und das Verfahren insgesamt unwirtschaftlich machen.

Bedarf an Energiespeichern

Durch die Energiewende, die u. a. aus Umwelt- und Klimaschutzgründen sowie der Endlichkeit der fossilen Energieträger einen Umstieg von konventionellen Kraftwerken hin zu erneuerbaren Energien vorsieht, wird sich langfristig weltweit ein zusätzlicher Bedarf an Energiespeichern ergeben. 

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

Energietransport

Als Primär- oder Rohenergieträger bezeichnet man Energieträger, die in der Natur zu finden sind, insbesondere die fossilen Brennstoffe in denen die Energie gespeichert ist. Für den Energietransport solcher Energieträger eignen sich grundsätzlich alle Transportmittel, wenn sie für den Energieträger über einen spezifischen Laderaum verfügen. Das ist in unterschiedlichem Maße der Fall bei Eisenbahn, Flugzeug, Freileitung, Kabel, Lastkraftwagen, Rohrleitung oder Schiff. Nicht alle Transportmittel können alle Energieträger transportieren. 
Mit der Entwicklung des dynamoelektrischen Prinzips durch Werner von Siemens im Januar 1867 konnte die Energieproduktion und der Energieverbrauch räumlich voneinander getrennt werden. 

Netzwerke

Die Energieübertragung kann auch durch Netzwerke erfolgen, die für jeden Energieträger getrennt bestehen. Beispiele sind Gasnetze, Stromnetze, Wasserverteilungssysteme und Leitungsnetze (Pipelines). Für elektrische Energie unterscheidet man Netze die nach ihrer elektrischen Spannung eingeteilt werden. Im Nieder- und Mittelspannungsnetz erfolgt die Energieübertragung hauptsächlich über Kabel (Seekabel), im Hoch- und Höchstspannungsnetz über Freileitungen. 

Probleme

Ein Energietransport ohne Energieverluste ist prinzipiell nicht möglich. Der Verlust wird meist als Wärme erkennbar und wird als Energieentwertung bezeichnet. Eine Kennzahl, mit welcher der Energieverlust zwischen Energiequelle und Netzabschluss gemessen werden kann, ist der Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad beschreibt die Effizienz einer technischen Einrichtung. Es ist das Verhältnis der Nutzenergie zur zugeführten Energie. Bei einer Glühbirne wird beispielsweise nur 5% der zugeführten Energie auch wirklich in Licht umgewandelt. Der Wirkungsgrad liegt hier also nur bei 5%.
In der Energiewirtschaft wird Energie bzw. Wärme „geliefert“ und kann durch Übertragungsverluste „verloren gehen“. Typische Energieübertrager wie Getriebe und Transformatoren arbeiten nie verlustfrei. 

Hinweis: "Energieverbrauch" ist eine allgemein übliche Bezeichnung für die Verwendung von Nutzenergie. Das Wort Energieverbrauch ist aber aus physikalischen Gründen falsch, weil Energie nicht verbraucht wird, sondern in Nutzenergie (Arbeit, Kälte, Licht, Wärme) umgewandelt wird.

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

Videos:

1) → Energiespeicher und Stromnetze - total phänomenal | Planet Schule

2) → planet e.: Fehlende Stromspeicher Doku (2023)

3) → Voll geladen: neue Speicher für die Energiewende – Leschs Kosmos

4) → Wie funktionieren Freileitungen

5) → Wie funktioniert unsere Stromversorgung?

6) → Der Weg des Stroms: Wie funktioniert eine Umspannanlage?

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Energiebedarf 

Mit „Energieverbrauch“ wird im Allgemeinen der „Verbrauch“ von Endenergie bezeichnet, gemeint ist damit aber eigentlich der „Bedarf“ (Energie wird immer nur umgewandelt und nicht verbraucht). Die „Endenergie“ ist die von Industrie, Haushalt, Gewerbe und Dienstleistungen in einer Volkswirtschaft benötigte Energie. Für die Erzeugung von Endenergie wird Primärenergie zunächst unter Verlusten teilweise in leichter nutzbare Energieträger gewandelt. Diese gewandelten Energieträger bezeichnet man auch als Sekundärenergie. Der Endenergiebedarf ist somit geringer als der Primärenergiebedarf, bei dem die Verluste der Wandlung mitberücksichtigt werden.

Energiebedarf in Deutschland

In Deutschland lag der gesamte Primärenergiebedarf im Jahr 2018 bei rd. 13.106 Petajoule (PJ) und der Endenergie-"Verbrauch" bei rd. 8.996 Petajoule (PJ). Die Energiebilanz für die Bundesrepublik Deutschland wies dabei zwischen Primär- und Endenergiebedarf Umwandlungsverluste von 31,4 % aus (Bilanzjahr 2018). 
Zur Veranschaulichung dieser Werte gilt der folgende Zusammenhang: 1 PJ =1 000 000 GJ (1 Petajoule = 1 000 000 Gigajoule). Die umgangssprachlich wenig gebräuchliche Energieeinheit Gigajoule (GJ) lässt sich durch Umrechnung in kWh (Kilowattstunden) oder Ölmengen veranschaulichen: 1 Gigajoule (GJ) = 278 kWh oder die Energiemenge bei Verbrennung von 23,9 kg Erdöl. 
Der Bedarf an Primärenergie in Deutschland im Jahr 2018 entspricht einem Pro-Kopf-"Verbrauch" von rund 43.929 kWh pro Einwohner. Dazu wurden 2018 pro Kopf der Bevölkerung 1.287 kg Erdöl, 1.191 kg Steinkohleeinheiten sowie 1.059 m³ Erdgas eingesetzt. Hinzu kommen aus erneuerbaren Energiequellen 6.029 kWh und aus Kernenergie 2.774 kWh pro Kopf.
Die privaten Haushalte benötigen mehr als zwei Drittel ihres Endenergiebedarfs, um Räume zu heizen. Sie nutzen zurzeit dafür hauptsächlich Erdgas und Mineralöl. Der Energieträger Strom hat einen Anteil von rund einem Fünftel am ⁠Endenergie-"Verbrauch"⁠ der privaten Haushalte. Hauptanwendungsbereiche sind die ⁠Prozesswärme⁠ (Waschen, Kochen etc.) und die ⁠Prozesskälte⁠ (Kühlen, Gefrieren etc.), die zusammen rund die Hälfte des "Stromverbrauchs" ausmachen.

Aufgeteilt nach Bereichen zeigt die folgende Übersicht für Deutschland den Energiebedarf aufgeteilt in Bereiche für die Jahre 1990 bis 2019:

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

Blockheizkraftwerke 

Ein Blockheizkraftwerk (BHKW) ist eine modular aufgebaute Anlage zur Gewinnung von elektrischer Energie und Wärme. Es wird vorzugsweise am Ort des Wärmebedarfs betrieben. Ein BHKW ist deshalb eine dezentrale Technologie. Unter modularem Aufbau versteht man, dass das BHKW aus mehreren Komponenten besteht: Der Begriff „Block“ steht für das Gehäuse, „Heiz“ für die Gewinnung von Wärmeenergie und „Kraftwerk“ für die Erzeugung elektrischer Energie. 

Blockheizkraftwerke nutzen das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung. Darunter versteht man die gleichzeitige Gewinnung von mechanischer Energie und nutzbarer Wärmeenergie. Das bedeutet, dass die Abgabe von ungenutzter Abwärme an die Umgebung reduziert wird. Kraft-Wärme-Kopplung ermöglicht eine Brennstoffeinsparung von bis zu einem Drittel der Primärenergie, verglichen mit der getrennten Erzeugung von elektrischer Energie und Wärmeenergie. Weiterhin ist der CO₂-Ausstoß bei der KWK rund ein Drittel niedriger als bei getrennter Gewinnung von elektrischer Energie und Wärmeenergie. Diese Technologie ist ein wichtiger Baustein für die Energie- und Wärmewende. 
Ein großer Vorteil ist auch, dass Blockheizkraftwerke die schwankende Energiegewinnung aus erneuerbaren Quellen wie Wind- und Solarkraft ausgleichen können. Blockheizkraftwerke sind sowohl in privaten Haushalten als auch in Gewerbe und Industrie einsetzbar. 

Funktionsweise

Ursprünglich beruhten BHKW-Anlagen auf Verbrennungsmotoren, deren Wärme aus dem Abgas und dem Kühlwasserkreislauf zur Aufheizung von Heizungswasser verwendet wird. Der Verbrennungsmotor liefert mechanische Energie und treibt einen Generator an. Dieser liefert dann die elektrische Energie. Inzwischen werden auch andere Systeme wie Pflanzenöl- oder Gasmotoren, aber auch Gasturbinen oder Brennstoffzellen zur Erzeugung der mechanischen Energie in BHKW-Anlagen eingesetzt. Als Kraftstoffe kommen fossile oder regenerative Kohlenwasserstoffe wie beispielsweise Erdgas, Heizöl, Pflanzenöl, Biodiesel, Flüssiggas (LPG), Biogas, Klärgas und Deponiegas zum Einsatz. Holzhackschnitzel und Holzpellets als nachwachsende Rohstoffe sind ebenfalls möglich. Auch Wasserstoff ist als Kraftstoff für BHKW geeignet und kann in Brennstoffzellen und angepassten Verbrennungsmotoren eingesetzt werden. 

Übliche BHKW-Module haben elektrische Leistungen zwischen einem Kilowatt (kW) und einigen zehn Megawatt (MW). Unter 50 kW spricht man auch von Mini-Kraft-Wärme-Kopplung (Mini-KWK), unter 10 kW von Mikro-KWK. Anlagen mit weniger als 2,5 kW nennt man auch Nano-BHKW. Mini- und Mikro-KWK werden in Wohn- und Geschäftsquartieren, Krankenhäusern, Schwimmbädern und Mehrfamilienhäusern, aber auch in Betrieben und im Siedlungsbau verwendet. Insbesondere die Nano-BHKW-Klasse eignet sich auch für Einfamilienhäuser. 

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

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

5) → BlockHeizkraftWerke - wie funktioniert ein BHKW Erklärt in 180 Sekunden!

6) → Blockheizkraftwerk: Grüne Heizung mit Mehrwert - Home Sweet Home

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Hintergrundbild: Mit freundlicher Genehmigung des 1. FC Kaiserslautern