Energie – Einleitung

Dies ist ein Hinweis, dass es geplant ist den ersten Abschnitt dieser Unterseite zu verbessern. (Ziel: Den durchgestrichenen Text bis Ende 2016 neu zu schreiben, da er zu Verwirrung führen kann.)

 1. Was ist Energie?

Kurz gesagt ist Energie eine Grösse für die Möglichkeit Veränderungen zu bewirken.

Energie kann in vielen verschiedenen Energieformen vorkommen. Diese Erscheinungsformen von Energie begegnen uns in jedem Moment unseres Lebens und sind uns sehr  vertraut, ohne dass wir gross darüber nachdenken. Das ist z.B. das Licht der Sonne, die Wärme des Feuers, die Bewegung von Autos und die Kraft von Blitzen.

Für jede Aktivität auf der Welt wird Energie „gebraucht“, ganz egal ob es sich hierbei um eine „natürliche-“ oder „technische Aktivität“ handelt.

 Die Energie ist das, was hinter diesen Erscheinungsformen steckt. Sie lässt sich aber selber nicht immer riechen, schmecken, hören (z.B. Schall), sehen (z.B. Licht) oder fühlen (z.B. Wärme, Strom, Beschleunigung), da Energie kein Stoff ist.

Energie ist eine physikalische Grösse für die Möglchkeit Veränderungen zu bewirken. Energie kann in Stoffen vorhanden sein, ist aber selber trotzdem kein Stoff. So enthalten z.B. unser Essen, Erdöl und Kohle Energie. (Diese Stoffe nennt man in der Technik Energieträger.)

Energie lässt sich oft von der einen in eine andere Form umwandeln. Bei fast allen Umwandlungen gibt es aber Verluste. Es ist nicht so, dass die Energie „verloren“ gehen würde aber sie wird in eine Form umgewandelt, die mir in diesem Moment nichts nützt. (Wenn ich z.B. mit dem Auto von „A“ nach „B“ fahre, ist mein Ziel die Fortbewegung. Trotzdem wird im Motor ein Grossteil der Energie, die im Benzin steckt, in Wärme umgewandelt. In diesem Fall spricht man davon, dass die Wärme „verloren“ ist, da sie mir in diesem Fall nichts bringt.) (Siehe auch “Wirkungsgrad”)

Ich zeige hier zur Verdeutlichung zwei Energieflüsse als Beispiel mit jeweils einer Grafik. Als Energiefluss bezeichnet man den Vorgang, wenn die Energie ihre Erscheinungsform ändert. Die Energie „fliesst“ von der einen in die andere Form. (In der Technik sagt man sie wird übertragen.)

1. Beispiel: Energiefluss vom Sonnenlicht in mechanische Bewegung:

Energiefluss - von Sonnenlicht in Bewegung

Energiefluss – von Sonnenlicht in Bewegung

1. Die Energie des Sonnenlichts (Strahlungs Energie) wird in Pflanzen in Zucker umgewandelt (Chemische Energie). (Umwandlung durch Photosynthese)
2. Dieser Zucker wird beim Essen vom Menschen in seinen Körper aufgenommen.
3. Die Energie des Zuckers wird im Körper des Menschen dafür benutzt um die Muskeln zu bewegen (Mechanische Energie).

 

2. Beispiel: Energiefluss von Wind zu elektrischem Strom:

Energiefluss - von Wind in Strom

Energiefluss – von Wind in Strom

1. Die Energie des Windes (Mechanische Energie) wird im Windrad in Umdrehung einer Welle umgewandelt (Mechanische Energie).
2. Die Energie der Umdrehungen wird daraufhin in Strom (Elektrische Energie) umgewandelt.

Allgemein kurz zur Repetition: Energie ist die eine Grösse für die Fähigkeit Arbeit zu verrichten. Viele Erscheinungsformen von Energie sind uns sehr bekannt. Jedoch kann man die Energie selber nicht direkt wahrnehmen, da sie kein Stoff ist! Energie kann nicht „verbraucht“ oder „erzeugt“ werden. Stattdessen kann sie nur von einer in eine andere Form umgewandelt werden!

 

Unterscheidung zwischen der natürlichen – und der künstlichen Energienutzung:

Energieflüsse existieren in der Natur schon seit jeher, sie sind der „Motor der galaktischen Entwicklung“. So wird z.B. Sonnenenergie durch Pflanzen genutzt, um zu wachsen und Früchte zu erzeugen. Die Pflanzenfresser wiederum leben von diesen Pflanzen und Früchten und die Fleischfresser von den Pflanzenfressern.

Auch der Mensch, der sowohl Fleisch als auch Pflanzen essen kann, benötigt Energie in Form von Nahrung fürs Wachsen, Fortpflanzen und die generellen Lebensfunktionen.

Geschichtlich ziehe ich die Grenze zwischen der natürlichen- und der künstlichen Energienutzung beim Beginn der Nutzung des Feuers vor ca. 790’000 Jahren. Damals wurde, meiner Meinung nach, von den Menschen das erste Mal bewusst in die natürlichen Energieflüsse eingegriffen, um sich Vorteile für sich selber zu erschaffen.

Die Wärme des Feuers wurde dazu genutzt, um Fleisch und Pflanzen, die roh giftig oder ungeniessbar wären, zuzubereiten um sie anschliessend essen zu können. Ausserdem konnte man durch die wärmespendende Wirkung des Feuers kalte Lebensräume und Regionen besiedeln, die den Menschen zuvor vorenthalten waren. Das Feuer hielt auch wilde Tiere fern und konnte benutzt werden, um Werkzeuge herzustellen. (z.B. Im Feuer gehärtete Holzspeere) Das Licht des Feuers ermöglichte den Menschen auch in der Nacht zu arbeiten. Zusätzlich konnte das Feuer auch zur Treibjagd verwendet werden, da fast alle Tiere reflexartig vor Feuer flüchten.

Ein Grossteil der technischen Systeme ist erst durch die „künstliche“ Energienutzung möglich geworden.

Diese Webseite beschäftigt sich hauptsächlich mit der „künstlichen“ Nutzung der Energie  und nur der Vollständigkeit halber am Rande mit Energie in Form von Nahrungsmitteln.

Zur Repetition: Die künstliche Energienutzung ist  das bewusste Verändern von natürlichen Energieflüssen zum Vorteil des Menschen.

Die Geschichte der künstlichen Energienutzung:

Um das „Wesen“ der Energie besser verstehen zu können und um die Unterscheidung zwischen künstlicher- und natürlicher Energienutzung zu verdeutlichen, sind hier auf den folgenden Zeilen die wichtigsten Meilensteine der künstlichen Nutzung der Energie zusammengefasst:

  • Vor ca. 790’000 Jahren -> Erste Nutzung des Feuers (durch Homo erectus)
  • Mehr als 5’000 v. Chr. -> Erste Verwendung von Segelschiffe (in Ägypten)
  • ca. 3’000 v. Chr. -> Erster Einsatz von Arbeitstiere (in Indien)
  • 1750 v. Chr. -> Erste Windmühlen (in Babylon)
  • Im 3./4. Jh. v. Chr. -> Erfindung des Wasserrades (in Griechenland)
  • Um 1000  -> Das erste Gezeitenkraftwerk (um eine Mühle in der englischen Stadt Dover anzutreiben)
  • 1712 -> Erfindung der Dampfmaschine (durch Thomas Newcomen (nicht James Watt))
  • 1791 -> Erfindung der Gasturbine (durch John Barber)
  • Im 19 Jh. -> Erste Generatoren und Elektromotoren
  • Im 19 Jh. -> Erfindung der Wärmepumpe
  • 1838 -> Erfindung der Brennstoffzelle (durch Christian Schönbein)
  • 1876 -> Erfindung des Benzinmotors (durch Nicolaus August Otto)
  • 1883 -> Erfindung der Solarzelle (durch Charles Fritts)
  • 1893 -> Erfindung des Dieselmotors (durch Rudolf Diesel)
  • 1910 -> Entdeckung der Supraleitung (ermöglicht die fast verlustfreie Übertragung von Strom)
  • ca. 1922 -> Erste Nutzung von Biogas (in Deutschland)
  • 1954 -> Erstes ziviles AKW in Betrieb (in der Sowjetunion)

Auf der folgenden Grafik ist der weltweite künstliche Energieverbrauch der letzten 150 Jahren abgebildet:

Weltweiter_Energieverbrauch_Primaerenergieverbrauch_1860_bis_2014

Weltweiter Energieverbrauch von 1860 bis 2014 (Primärenergie)

 

Wie man auf dieser Grafik sehr gut sieht, nahm der Energieverbrauch mit den immer zahlreicher werdenden Anwendungen, dem immer häufigeren Gebrauch dieser Technologien und dem Wachstum der Bevölkerung immer mehr zu. Er hat sich speziell seit dem Beginn der Industriellen Revolution um mehr als den Faktor 30! vervielfacht. Nach dem Ende des Zweiten Weltkrieges ist der weltweite Energieverbrauch regelrecht explodiert!

Speziell in den letzten 300 Jahren wurde durch die Aufklärung, die Industrielle Revolution und die mechanisierung des Krieges sehr viele Erfindungen und Entdeckungen gemacht. Der technische- und wissenschaftliche Fortschritt hat sich auf ein bis dahin unbekanntes Mass beschleunigt.

 

2. Weshalb ist Energie wichtig?

Energie ist der entscheidende Faktor, mit dem die moderne Zivilisation steht oder fällt!

 

Wenn man Energie im Überfluss hätte, könnte man zum Beispiel sogar:

  • Gold aus anderen Stoffen „erzeugen“
  • Alle Produkte recyceln
  • Rohstoffe aus dem Meerwasser filtern
  • Nahrung und sauberes Wasser für alle Menschen erzeugen und zugänglich machen
  • Schadstoffe aus dem Ökosystem filtern
  • Grosse Raumfahrtsmissionen starten

 

Wenn man sich aber vorstellt, was passieren würde, wenn man keine technische Energie mehr hätte, wird man nachdenklich.

 

Ohne technische Energie gäbe es unter anderem:

  • Keine moderne Kommunikation (TV, Internet, E-Mail, Handy, etc.)
  • Eine sehr stark eingeschränkte Mobilität (hauptsächlich Muskelkraft)
  • Ein Ende der Globalisierung
  • Hungersnöte
  • Tote Leute durch zu extreme Hitze, oder Kälte

 

=> Ich glaube man kann davon ausgehen, dass die Menschheit in eine ähnliche Situation, wie im Mittelalter zurückgeworfen werden würde!

Wenn man all diese Aspekte betrachtet, kommt man unausweichlich zum Schluss, dass Energie sehr wichtig ist.

Da Energie so wichtig ist, kann und wird sie zum Teil auch als Druckmittel eingesetzt. Es geht bei vielen Anwendungen der Energie wortwörtlich um Leben oder Tod. So zum Beispiel bei der Nahrungsmittelproduktion, der Trinkwasseraufbereitung, beim Heizen im Winter. Ausserdem kann man die wirtschaftliche Produktion und Entwicklung von Regionen sehr gut blockieren, wenn man den Zugang zu Energie erschwert oder ganz unterbindet.

 

Weiterführende Infos unter:

http://www.bine.info/themen/publikation/was-ist-energie/#sthash.alDGyum8.dpuf (Sehr empfehlenswerte Einleitung für Fortgeschrittene und speziell Interessierte!)

http://www.oekosystem-erde.de/html/energie.html

http://www.oekosystem-erde.de/html/energiegeschichte.html

http://www.zeit.de/online/2008/43/energiegeschichte

https://www.alexandria.unisg.ch/export/DL/49212.pdf

http://www.youtube.com/watch?v=55z7tdUfXU0

http://www.youtube.com/watch?v=NMWZwkv0qto

-> Weitere Links folgen.

 

3. Anmerkungen zur Einleitung zum Thema Energie (Für speziell Interessierte & Fortgeschrittene):

Wenn wir über Energie sprechen, sagen wir in der Alltagssprache häufig, dass Energie „erzeugt“ und „verbraucht“ wird, doch das stimmt so nicht ganz. Physikalisch korrekt kann man keine Energie erzeugen, sondern sie nur aus einer anderen Energieform in eine für uns nutzbare Form umwandeln (z.B. Chemische Energie (Erdöl) in Thermische Energie (Wärme)). Verbrauchen kann man Energie auch nicht. Sie wird nur in eine andere Form umgewandelt, die für uns im Moment nicht von Nutzen ist. Man spricht dabei auch von „entwerteter Energie“, die meistens die Form unerwünschter Wärme annimt (Siehe auch „Wirkungsgrad“).

Es gibt verschiedene Energieformen. Hierzu gehören zum Beispiel die potenzielle-, die kinetische-, die chemische- oder die elektrische Energie. Energie lässt sich oft von der einen in eine andere Form umwandeln. Es gibt aber auch Umwandlungen, die irreversibel, also nicht mehr umkehrbar sind. (Wenn z.B. ein Auto von „A“ nach „B“ gefahren ist, kann man nicht einfach die Strecke zurück fahren, um den Benzintank wieder aufzufüllen!)

Verschiedene Energieformen und mögliche Umwandlungen

Verschiedene Energieformen und mögliche Umwandlungen

Die folgende Grafik zeigt zur Veranschaulilchung einige der vielen möglichen Umwandlungen zwischen verschiedenen Energieformen.

Der Wirkungsgrad:

Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis zwischen der Ursprungsenergie (z.B. Benzin) und der Zielenergie (z.B. Wärme). Der Wirkungsgrad wird entweder in einem Bruchteil von 1 oder in Prozent angegeben, wobei der Wirkungsgrad nie höher als 100% beziehungsweise 1 sein kann. Dies weil man sonst nach einer Energieumwandlung mehr Energie erhalten würde, als ins System hineingegeben wurde. Das verbieten die Gesetze der Physik. Eine solche Maschine hiesse „perpetuum mobile“.

Kurz ein paar Beispiele für den Wirkungsgrad:

Glühbirne -> ca. 5% Licht (Restliche 95% Wärme)

Solarzelle -> ca. 20% (Restliche 80% Abwärme und Reflexionen)

Auto -> ca. 33% (Restliche 67% Verwirbelungen, Abwärme, Lärm, …)

Elektrische Heizung -> ca. 99%

=> Wie man sieht, hat die Technik bei gewissen Energieumwandlungen bereits sehr gute Wirkungsgrade erreicht. Bei anderen Umwandlungen gibt es noch viel Verbesserungspotenzial. (So wird z.B. bei einer normalen Glühbirne 95% der Energie in Wärme und nur 5% in das gewünschte Licht umgewandelt.)

=> Die Verbesserung der Wirkungsgrade bei Energieumwandlungen ist sehr reizvoll, da man mit gleich viel Energie mehr erreichen kann. Somit wird die Energie-Effizienz verbessert. Energie, welche nicht verbraucht wird, muss auch nicht erzeugt werden.

 

Verwendungszwecke von Energie:

Energie ist zum Beispiel nötig, um einen Körper zu beschleunigen (z.B. Auto) oder um ihn entgegen einer Kraft zu bewegen (z.B. Flugzeug gegen Erdanziehung), um eine Substanz zu erwärmen (z.B. Herdplatte), um elektrischen Strom fließen zu lassen (z.B. Stromkreis mit einer Lampe) oder um elektromagnetische Wellen abzustrahlen (z.B. Radiosender). Lebewesen benötigen Energie, um leben und wachsen zu können. Energie benötigt man aber auch für den Betrieb von Computern, für Telekommunikationssysteme und für jegliche Produktion von Gütern und sogar bei den allermeisten Dienstleistungen.

 

Energie in Form von Nahrung:

Diese Webseite beschäftigt sich mit der künstlichen Nutzung von Energie. Trotzdem werden in diesem Unterkaptitel ein paar Aspekte zur „natürlicher“ Energienutzung in Form von Nahrung erwähnt.

Ich bin überzeugt, dass es möglich ist, genügend Nahrung für alle Menschen zu erzeugen. Es ist aber wichtig, dass man den sogenannten Food-Waste (Lebensmittelverschwendung) reduziert und dass man darauf achtet, dass man für Biotreibstoffe nur nicht essbare Pflanzenteile nutzt um keine Konkurrzenz zur Nahrung zu sein. Handel von Nahrungsmitteln ist gut, aber Spekulation mit dem einzigen Ziel der Gewinnmaximierung finde ich bedenklich.

Soweit möglich, finde ich es gut, wenn man auf biologische und nachhaltige Landwirtschaft und Fischerei setzt und Fairtrade betreibt.

 

Die Beziehung zwischen Energie und Materie:

Es ist so, dass sich Materie in Energie umwandeln lässt (z.B. Explosion einer Atombombe). Auch das Gegenteil, Energie in Materie zu verwandeln ist möglich (z.B. Teilchenbeschleuniger). Diese Beziehung ist in der Formel E=MC^2 von Albert Einstein enthalten.

Am Anfang des Universums gab es nur Energie und noch keine Materie. Die Materie ist im Laufe der Zeit durch Energie entstanden und ist somit fast so etwas wie „gefrorene Energie“. Somit kann man eigentlich sagen, dass alles (das ganze Universum) aus Energie besteht. Somit ist Energie nicht nur der Grund für alle Veränderungen und die Kraft die alles am „laufen“ hält, sondern man kann auch sagen, dass Energie das ist woraus die ganze Materie entstanden ist.

 

Weiterführende Infos unter:

http://abenteuer-universum.de/einstein/energie.html#verein

 

Gerichtete & ungerichtete Energie (Exergie & Anergie):

Zu Informationen zu diesem Themenbereich wird gerne auf die folgende Webseite verwiesen:

http://wissenschaft-technik-ethik.de/was-ist-energie.html

 

– Letzte Änderung 25.02.2016 –

 

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