30 Jahre Mauerfall Mehr erfahren
Paul Langrock / Zenit / laif – Ein Tunnel im Berliner Untergrund verbindet Friedrichshain und Marzahn per Stromautobahn. Ein Netzingenieur auf Inspektionstour

24.9.2013 | Von:
Hans-Joachim Ziesing

Was ist Energie

Physikalische Grundlagen

Vereinfachend lässt sich Energie als die Fähigkeit beschreiben, Arbeit zu verrichten. Dabei ist zwischen zwei Komponenten zu unterscheiden: zwischen der Anergie und der Exergie. Exergie bezeichnet den Anteil der Energie, der in Arbeit umgewandelt werden kann, während die Anergie der Teil der Energie ist, der (außer evtl. zum Heizen) keinen Nutzen hat und nicht in Arbeit umgewandelt werden kann. Beides sind Begriffe aus der Thermodynamik, der Wärmelehre, für die vor allem zwei Hauptsätze wichtig sind:
  • Der erste Hauptsatz besagt im Wesentlichen, dass die gesamte Energie eines abgeschlossenen Systems bei allen ablaufenden Prozessen unverändert bleibt.
  • Der zweite Hauptsatz schränkt die Möglichkeiten insbesondere bei der Umwandlung von Wärme in mechanische Energie weiter ein. Im Kern sagt er, dass gewisse Prozesse unumkehrbar sind: Wärme kann nur von einem wärmeren zu einem kälteren Körper fließen, nie umgekehrt. Mechanische Energie kann zwar vollständig in Wärmeenergie umgewandelt werden, aber der umgekehrte Prozess ist unmöglich.
Einige weitere Begriffe tragen zum besseren Verständnis dessen, was Energie ist, bei:
  • Primärenergie: Primärenergieträger sind solche, die unmittelbar der Natur entnommen und noch keiner Umwandlung unterworfen worden sind. Dazu zählen beispielsweise das Rohöl, die Rohbraunkohle, Uran oder das Erdgas sowie die erneuerbaren Energien aus Wind, Wasser, Sonnenstrahlung, Erdwärme und Biomasse. Primärenergieträger sind oftmals nicht direkt, sondern erst nach weiteren Umwandlungsschritten für wirtschaftliche Aktivitäten nutzbar.
  • Sekundärenergie: Sekundärenergieträger entstehen aus der Umwandlung von Primärenergieträgern. Dies sind alle Stein- und Braunkohlenprodukte sowie Mineralölprodukte, verschiedene erzeugte Gase (z. B. Gichtgas, Kokereigas), Strom und Fernwärme. Sekundärenergieträger können aber auch aus der Umwandlung anderer Sekundärenergieträger entstehen: So kann Strom beispielsweise auch aus Heizöl, Gichtgas oder anderen erzeugten Gasen produziert werden.
  • Endenergie: Als Endenergie wird die Verwendung von Energieträgern in den unterschiedlichen Sektoren ("Letztverbraucher", z. B. Haushalte, Industrie, Gewerbe, Handel und Dienstleistungen) für deren eigenen Verbrauch bezeichnet, sofern sie unmittelbar zur Erzeugung von Nutzenergie (s. u.) eingesetzt werden. Endenergie ist die letzte Stufe nach dem Primärenergie- und dem Umwandlungsverbrauch sowie nach den Verlusten, die bei Transport und Verteilung entstehen. Endenergie kann als Primärenergieträger vorliegen (z. B. Erdgas) oder in eine sekundäre Energieform umgewandelt worden sein (z. B. Strom).
  • Nutzenergie ist die Energie, die dem Endnutzer für seine Bedürfnisse in den unterschiedlichen Anwendungsbereichen (z. B. Beleuchtung, mechanische Energie, Wärme, Kälte, Licht) zur Verfügung steht. Die Umwandlung der Endenergie in Nutzenergie ist Voraussetzung dafür, dass der Endverbraucher die von ihm letztlich gewünschte Energiedienstleistung (z. B. gute Beleuchtung, angenehm temperierten Wohnraum) erhält.
    Wesentlich ist auch die Unterscheidung zwischen den einzelnen Energieträgern, also Quellen oder Stoffen, in denen Energie mechanisch, thermisch, chemisch oder physikalisch gespeichert ist.
  • Mechanische Energie ist die Fähigkeit eines Körpers, aufgrund seiner Lage oder seiner Bewegung mechanische Arbeit zu verrichten, Wärme abzugeben oder Licht auszusenden. Mechanische Energie kennzeichnet den Zustand eines Körpers und wird deshalb auch als Zustandsgröße bezeichnet. Sie kann in andere Energieformen umgewandelt und von einem Körper auf andere Körper übertragen werden. Spezielle Formen mechanischer Energie sind die potenzielle Energie (Energie der Lage) und die kinetische Energie (Energie der Bewegung). Unter ersterer versteht man die Energie, die man aufbringen muss, um ein Objekt auf eine gewisse Höhe zu heben. Beispiel: Eine Kiste Mineralwasser wird um einen Meter nach oben gehoben, um sie auf den Tisch zu stellen. Die dafür aufgebrachte Arbeit entspricht der potenziellen Energie. Kinetische Energie ist die Bewegungsenergie, die ein Körper (z. B. ein Auto) aufgrund seiner Geschwindigkeit hat.
  • Chemische Energie ist in chemischen Verbindungen gespeicherte Energie. Meist versteht man darunter den Wärmeinhalt oder Heizwert.
  • Elektrische Energie ist die Energie, die mittels der Elektrizität übertragen oder in elektrischen Feldern gespeichert wird. Bei der Übertragung von Energie mit Hilfe der Elektrizität spricht man auch von elektrischer Arbeit. Elektrische Energie kann zum Beispiel in elektrischen und magnetischen Feldern gespeichert und in andere Energieformen umgewandelt werden.
  • Strahlungsenergie ist die Energie der elektromagnetischen Strahlung, beispielsweise des Lichtes. Die Energie der Sonne ist nahezu immer und überall verfügbar, seit Jahrtausenden nutzen wir ihre Wärmestrahlung. Heute wird die solare Strahlungsenergie zunehmend mit Hilfe der Photovoltaik direkt in elektrische Energie umgewandelt. Strahlungsenergie wird auch dazu eingesetzt, um Wärme unterschiedlicher Temperaturen zu erzeugen. Biomasse, Wind und Wasserkraft nutzen die Sonnenenergie in indirekter Weise über Zwischenprodukte wie organisches Material, Luftbewegung oder kinetische und potenzielle Energie von Wasser. Strahlungsenergie kann auch passiv genutzt werden, etwa zur Erwärmung oder zur Beleuchtung von Gebäuden.
  • Thermische Energie (auch Wärmeenergie) ist die Energie, die in der ungeordneten Bewegung der Atome oder Moleküle eines Stoffes gespeichert ist. Sie ist eine Zustandsgröße und ist Teil der inneren Energie.
  • Bei der Kernenergie ist zu unterscheiden zwischen der Kernspaltung und der Kernfusion. Bei der Kernspaltung wird deren Energie in Kernkraftwerken zunächst in Wärmeenergie und mit dieser dann in Strom umgewandelt. Bei der Kernfusion werden die kernphysikalischen Prozesse in der Sonne nachgeahmt. Kerne von Wasserstoff-Atomen verschmelzen zu Kernen des Heliums. Nach der Einsteinschen Formel "Energie gleich Masse mal Quadrat der Lichtgeschwindigkeit" (e=mc²) werden so winzige Mengen an Materie (Elementarteilchen) in riesige Mengen an Energie umgewandelt. Als Kernbrennstoffe werden somit alle Stoffe bezeichnet, aus denen physikalisch gebundene Energie entweder durch Fission (Kernspaltung) oder durch Fusion (Kernverschmelzung) freigesetzt werden kann.