Energieatlas

Werkzeugkasten zur Neugestaltung gesellschaftlicher Wirklichkeit

Energieatlas - Energie zyklisch denken

Der Energieatlas als Werkzeugkasten zur Neugestaltung gesellschaftlicher Wirklichkeit

Der Wan­del zum erneu­er­ba­ren Ener­gie­sys­tem löst eine sozia­le Debat­te aus. Die­se Debat­te betrifft die kul­tu­rel­le Iden­ti­tät von Lebens­räu­men der Men­schen. Es ist eine Debat­te, die das Ver­hält­nis von Stadt und länd­li­chem Raum neu defi­niert; eine Debat­te, die tief in die gesell­schaft­li­che Wirk­lich­keit ein­greift.“    Robert Habeck, 01/2022

Der Ener­gie­at­las soll unter­stüt­zen, die Hoheit bei der Gestal­tung von loka­len und siche­ren Ener­gie­kreis­läu­fen in Gebäu­den und Wohn­quar­tie­ren, auf gewerb­li­chen und indus­tri­el­len Flä­chen sowie in den Städ­ten und Gemein­den zu übernehmen.

Inhaltsverzeichnis

  1. Vor­wort — Was ist Energie?
  2. Ener­gie­at­las
  3. Ener­gie­quel­len
  4. Fort­set­zung folgt …

Wie gelangt der Strom in die Steckdose

Das Vor­wort „Was ist Ener­gie“ star­te­te mit dem Slo­gan: „Der Strom kommt aus der Steck­do­se“. Die ent­schei­de­ne Fra­ge lau­tet aber: Wie kommt der Strom in die Steckdose?

Die Art der Bereit­stel­lung von Strom ändert sich grund­le­gend. Die tech­ni­sche Umset­zung von Ener­gie­ge­win­nung, Ener­gie­spei­che­rung, die Ver­bin­dung von Elektrizitäts‑, Wär­me- und Gas­net­zen sowie Maß­nah­men zur Kli­ma­fol­gen­an­pas­sung, Gebäu­de­mo­der­ni­sie­rung und zur Stei­ge­rung der Ener­gie­ef­fi­zi­enz ver­la­gern sich zuneh­mend in Städ­te und Gemein­den. Dies bie­tet Mög­lich­kei­ten zu loka­ler Wert­schöp­fung, zur selbst­ver­ant­wort­li­chen Umset­zung von Ener­gie­kon­zep­ten bis in die Wohn­ge­bäu­de sowie zur Bil­dung von Energiegemeinschaften.

Der Wan­del zum nach­hal­ti­gen Ener­gie­sys­tem auf Basis erneu­er­ba­rer Ener­gien besitzt also nicht nur eine tech­ni­sche Dimen­si­on. Bun­des­mi­nis­ter Robert Habeck sag­te dazu im Janu­ar 2022 auf einer Bun­des­pres­se­kon­fe­renz. „Der Wan­del löst eine sozia­le Debat­te aus. Die­se Debat­te betrifft die kul­tu­rel­le Iden­ti­tät von Lebens­räu­men der Men­schen. Es ist eine Debat­te, die das Ver­hält­nis von Stadt und länd­li­chem Raum neu defi­niert; eine Debat­te, die tief in die gesell­schaft­li­che Wirk­lich­keit eingreift.“

Um die­se Debat­te zu füh­ren, benö­ti­gen alle Akteu­re der Gesell­schaft ein tie­fe­res Ver­ständ­nis für Ener­gie als Grund­la­ge allen Seins, für durch Natur und Tech­no­lo­gie anzapf­ba­re Ener­gie­quel­len sowie für die ver­schie­de­nen For­men der Ener­gie­um­wand­lung bis zur Nut­zung von Ener­gie in der Gesell­schaft. Der Ener­gie­at­las soll dazu bei­tra­gen, die­ses Ver­ständ­nis zu ver­bes­sern. Er stellt eine gemein­sa­me Spra­che und bild­li­che Sym­bo­lik bereit.

Fluss der Energie

Ener­gie ist kein anfass­ba­res Ding. Mit dem Begriff Ener­gie wird eine Fähig­keit beschrie­ben, die Fähig­keit Arbeit zu ver­rich­ten. Ener­gie bringt etwas in Gang, wobei sich die Ener­gie­art ändert. Sie lässt sich eher als Fluss beschrei­ben, der etwas mit sich trägt. Ein Fluss besitzt eine Quel­le, wobei eine Quel­le der Ursprung von etwas Bestimm­ten, von Flüs­sen, von Pri­mär­ma­te­ria­li­en oder von Infor­ma­ti­on ist. Der Ener­gie­at­las kon­zen­triert sich auf Ener­gie­quel­len, aber auch auf damit ver­bun­de­ne stoff­li­che Flüs­se und die Flüs­se von Information.

Die Ener­gie­ge­win­nung unse­rer Gesell­schaft beruht bezüg­lich erneu­er­ba­rer Ener­gie bis­her auf der Nut­zung von vier Pri­mär­ener­gie­quel­len. Dies betrifft den Was­ser­stoff der Son­ne, die wech­seln­de Mas­se­ver­tei­lung des Erde-Mond-Sys­tems, die Mas­se der Erde und die radio­ak­ti­ven Bestand­tei­le im Erd­kern. Die­se Quel­len beru­hen also auf zwei der vier in der Phy­sik bekann­ten Wech­sel­wir­kun­gen; der als star­ke Wech­sel­wir­kung bekann­ten Kern­kraft und der Gra­vi­ta­ti­on. Die vier genann­ten Ursprün­ge von Pri­mär­ener­gie belie­fern wie­der­um ver­schie­de­ne Ver­fah­ren zur Ener­gie­wand­lung und zur Bereit­stel­lung von Ener­gie für Fol­ge­pro­zes­se. Spä­ter wird die­se Aus­sa­ge begrün­det, wobei auch ein Aus­blick auf mög­li­che Kan­di­da­ten für zusätz­li­che Ener­gie­quel­len erfolgt.

Zuerst sind aber noch die not­wen­di­gen Schrit­te zu klä­ren, um aus der Pri­mär­ener­gie­quel­le die Ener­gie in der benö­tig­ten nutz­ba­ren Form zu gewin­nen. Die der Quel­le ent­sprin­gen­de pri­mä­re Grund­la­ge muss in der Regel mit natür­li­chen oder tech­no­lo­gi­schen Ver­fah­ren extra­hiert sowie in eine wirk­sa­me Form gebracht und wei­ter­ge­lei­tet wer­den. Als Ergeb­nis steht Pri­mär­ener­gie zur Ver­ar­bei­tung bereit.

Die Art die­ser Ener­gie ist in der Regel noch nicht zur direk­ten Nut­zung in der Lebens- und Arbeits­welt der Men­schen geeig­net. Men­schen kön­nen che­mi­sche Ener­gie der Lebens­mit­tel im Kör­per ver­ar­bei­ten. Mit Pflan­zen­öl lässt sich even­tu­ell auch ein Auto betrei­ben, aber nicht der Com­pu­ter, mit dem die­se Abhand­lung geschrie­ben wird. Die bereit­ge­stell­te Pri­mär­ener­gie muss somit in eine geeig­ne­te Form umge­wan­delt wer­den, zum Bei­spiel in Elek­tri­zi­tät. Die­se Ener­gie­form lie­fert den der Steck­do­se ent­nehm­ba­ren Strom. Die dafür not­wen­di­gen Ein­rich­tun­gen nen­nen wir Gene­ra­to­ren oder Wand­ler. Der Gene­ra­tor lie­fert die benö­tig­te Ener­gie­form als End­ener­gie. Die­ser Vor­gang kann meh­re­re Zwi­schen­schrit­te beinhal­ten. Die von Zwi­schen­schrit­ten gelie­fer­te Ener­gie nennt der Tech­ni­ker gern auch Sekun­där­ener­gie. Doch soll­te dies nicht ver­wir­ren, denn Ener­gie besteht nur in Form ver­schie­de­ner Ener­gie­ar­ten mit unter­schied­li­cher Nutzbarkeit.

Schluss­end­lich wird die bereit­ge­stell­te End­ener­gie zum Betrieb ver­schie­de­ner Ein­rich­tun­gen, Anla­gen und Gerä­te mensch­li­cher Lebens- und Arbeits­wel­ten ein­ge­setzt. Als Nut­z­en­er­gie steht sie am Ende der Ket­te den Ener­gie­sen­ken zur Ver­fü­gung. Sie bringt Leuch­ten in Gebäu­den und auf Stra­ßen zum Strah­len, sorgt mit Bewe­gungs­en­er­gie der Fahr­zeu­ge für Mobi­li­tät oder betreibt Haus­halts­ge­rä­te und Maschi­nen. Eine wei­te­re Nut­zungs­mög­lich­keit besteht dar­in, Ener­gie zur spä­te­ren Ver­wen­dung in Spei­chern auf­zu­be­wah­ren. Dies lässt sich zum Bei­spiel mit einer Bat­te­rie durch Spei­che­rung elek­tro-che­mi­scher Ener­gie umsetzen.

Prozess der Energietransformation sowie Energiezyklen

Die beschrie­be­nen Pro­zess­schrit­te zur Ener­gie­trans­for­ma­ti­on bil­den eine Ket­te von der Ener­gie­quel­le bis zur Nut­zung. Dabei kann die bereit­ge­stell­te Nut­z­en­er­gie auch gespei­chert wer­den und somit als poten­zi­el­le Quel­le für einen wei­te­ren Ablauf die­nen. Der Pro­zess formt einen Ener­gie­kreis­lauf, der zu einer belie­bi­gen Anzahl von Zyklen ver­ket­tet wer­den kann. Jeder ein­zel­ne Zyklus setzt sich aus den beschrie­be­nen sechs Schrit­ten zusammen:

  • Ener­gie­quel­le zur Bereit­stel­lung von Energie
  • Ver­fah­ren zur Extrak­ti­on und Weiterleitung
  • Pri­mär­ener­gie
  • Gene­ra­tor / Wandler
  • End­ener­gie
  • Ener­gie­sen­ke zum Ein­satz und zur Spei­che­rung von Nutzenergie

Wir spra­chen schon dar­über, dass Ener­gie weder erzeugt wer­den noch ver­lo­ren gehen kann. Ener­gie wird immer nur umge­wan­delt.  Meh­re­re die­ser Trans­for­ma­ti­ons­pro­zes­se las­sen sich als wie­der­hol­te Zyklen anein­an­der­rei­hen. Natür­lich ent­steht damit kein Per­pe­tu­um mobi­le. Die Ener­gie bleibt zwar bestehen, aber die Nut­zungs­mög­lich­keit von Ener­gie, ihre Ver­füg­bar­keit, ver­rin­gert sich bei jedem wei­te­ren Zyklus. Gleich­zei­tig wird der Grad nicht mehr ver­füg­ba­rer Ener­gie erhöht. Die­ser nicht nutz­ba­re Teil wird Entro­pie genannt. Bit­te haben sie bis zur Klä­rung die­ses Begrif­fes in spä­te­ren Kapi­teln noch ein wenig Geduld. Somit ver­än­dert sich die Ener­gie­art in zykli­schen Pro­zes­sen eher in Form einer Spi­ra­le, die Ener­gie mit hoher Ver­füg­bar­keit zu gerin­ger Nutz­bar­keit wan­delt. Die Effi­zi­enz der Ver­bin­dung meh­re­rer Zyklen der Ener­gie­trans­for­ma­ti­on ist somit danach zu bewer­ten, wie der Grad der Entro­pie­stei­ge­rung, also der Grad nicht mehr nutz­ba­rer Ener­gie, anwächst.

Energieatlas

Die Auf­ga­be besteht dar­in, effi­zi­en­te Ener­gie­pro­zes­se mit mini­mier­ten Grad der Ener­gie­ent­wer­tung für ver­schie­de­ne Ein­satz­fäl­le zu gestal­ten und zu bewer­ten. Dazu nut­zen wir die sechs Schrit­te der ein­ge­führ­ten Metho­de zur Beschrei­bung eines Ener­gie­zy­klus. Zur Ver­an­schau­li­chung die­nen wei­ter­hin gra­fi­sche Basis­ele­men­te. Der hier­mit ent­ste­hen­de Ener­gie­at­las schafft einen Über­blick zur Viel­zahl ver­schie­de­ner Ener­gie­quel­len, Extrak­ti­ons­ver­fah­ren von Pri­mär­ener­gie, Pri­mär­ener­gie­ar­ten, Gene­ra­to­ren zur Wand­lung zwi­schen unter­schied­li­chen End­ener­gie­ar­ten sowie zu deren Anwen­dung in ver­schie­den­den Lebens- und Arbeits­wel­ten, die wir Ener­gie­land­schaf­ten nennen.

Der Atlas umfasst Desi­gnele­men­te zur Gestal­tung auto­no­mer Ener­gie­sys­te­me bei der Ent­wick­lung von Gebäu­den, Area­len, Städ­ten und Regio­nen in Inter­ak­ti­on mit der Umwelt. Er unter­stützt die Kon­fi­gu­ra­ti­on von Ener­gie­zy­klen ent­spre­chend den loka­len Bedin­gun­gen und Bedürf­nis­sen der Anwen­der. Fol­gen­de Abbil­dung ord­net zuerst den sechs Schrit­ten des Ener­gie­zy­klus jeweils gra­fi­sche Sym­bol­ka­te­go­rien zu.

Symboltypen zum Energieatlas

Abbil­dung: Symboltypen

In den nächs­ten Kapi­teln wer­den zum Design von Ener­gie­lö­sun­gen in Gebäu­den und Quar­tie­ren, auf gewerb­li­chen und indus­tri­el­len Area­len, in Städ­ten, Gemein­den und länd­li­chen Raumen auf Basis erneu­er­ba­rer Ener­gie­quel­len wei­te­re gra­fi­sche Ele­men­te ein­ge­führt. Bei­spiel­haf­te Ener­gie­kon­zep­te neh­men dabei stets Bezug auf die ein­heit­li­che Dar­stel­lung des Ener­gie­zy­klus. Der Kreis­lauf wird dabei ent­spre­chend obi­ger Abbil­dung in drei Pha­sen gegliedert.

Die Extrak­ti­ons­pha­se beschreibt die Gewin­nung und Wei­ter­lei­tung von Pri­mär­ener­gie aus einer Energiequelle.

In der Bereit­stel­lungs­pha­se über­nimmt ein Gene­ra­tor oder Wand­ler die Kon­ver­tie­rung der Pri­mär­ener­gie in die benö­tig­te End­ener­gie sowie deren Wei­ter­lei­tung zur Nutzung.

Die Nut­zungs­pha­se ermög­licht den Ein­satz von End­ener­gie sowie die Ener­gie­auf­nah­me in Spei­chern, um die zeit­ver­zö­ger­te Ver­wen­dung oder den Ener­gie­ein­satz in einem wei­te­ren Zyklus zu ermöglichen.

Zuerst star­ten wir mit der Beschrei­bung von Ener­gie­quel­len und den Mög­lich­kei­ten zur Extrak­ti­on von Primärenergie.

Quellen:

Kieß­ling, Andre­as (Hrsg.).; Hart­mann, Gun­nar. Ener­gie zyklisch den­ken. 136 S. 2. Auf­la­ge: Janu­ar 2019. Paper­back, ISBN: 978–3‑7469–7427‑9. Hard­co­ver, ISBN: 978–3‑7469–7428‑6. E‑Book, ISBN: 978–3‑7469–7429‑3. Ham­burg, tre­di­ti­on GmbH. https://amzn.to/3vUDaQw

Andre­as Kieß­ling, ener­gy design, Lei­men / Hei­del­berg — 09. Mai 2022

Über Andreas Kießling 82 Artikel
Andreas Kießling hat in Dresden Physik studiert und lebt im Raum Heidelberg. Er beteiligt sich als Freiberufler und Autor an der Gestaltung nachhaltiger Lebensräume und zugehöriger Energiekreisläufe. Dies betrifft Themen zu erneuerbaren und dezentral organisierten Energien. Veröffentlichungen als auch die Aktivitäten zur Beratung, zum Projektmanagement und zur Lehre dienen der Gestaltung von Energietechnologie, Energiepolitik und Energieökonomie mit regionalen und lokalen Chancen der Raumentwicklung in einer globalisierten Welt.

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