Energiequellen der Gegenwart

Energiequellen der Gegenwart

Energiequellen der Gegenwart

Entstehen, Existenz und Vergehen der Sterne als Energiequellen

„Die Sum­me der Din­ge ist unbe­grenzt, und sie alle kön­nen sich inein­an­der ver­wan­deln. Das alles beinhal­tet sowohl das Lee­re als auch das Gan­ze. Die Wel­ten ent­ste­hen, wenn Ato­me in die Lee­re fal­len und mit­ein­an­der inter­agie­ren; und aus ihrer Bewe­gung, wenn sie an Mas­se zuneh­men, ent­steht die Sub­stanz der Ster­ne.“ Leu­kipp – grie­chi­scher Phi­lo­soph des 5. Jahrhunderts

Die kur­ze Ein­füh­rung zu „Ener­gie­quel­len der Gegen­wart“ zeigt, wie fas­zi­nie­rend das Ver­ständ­nis vom Ent­ste­hen, der Exis­tenz und vom Ver­ge­hen der Ster­ne als grund­le­gen­de Ursa­che aller erneu­er­ba­rer Ener­gie­quel­len sein kann.

Inhaltsverzeichnis

  1. Vor­wort: Was ist Energie?
  2. Ener­gie­at­las
  3. Ursa­che von Energie
  4. Fun­da­men­te aller Energiequellen
  5. Ener­gie­quel­len im Zeitenwandel 
    1. Nach­hal­tig­keit und der Blick in die Ver­gan­gen­heit (Ener­gie­quel­len im Zei­ten­wan­del — Teil 1)
    2. Ent­ste­hen, Exis­tenz und Ver­ge­hen der Ster­ne als Ener­gie­quel­len (Ener­gie­quel­len der Gegenwart)
    3. Neue Mög­lich­kei­ten am Hori­zont und die Zukunft ist offen
  6. Erneu­er­ba­re Ener­gie im Überblick 
    1. Direk­te Nut­zung der Sonnenstrahlung
    2. Bewe­gungs­en­er­gie des Windes
    3. Bewe­gungs­en­er­gie und che­mi­sche Ener­gie von Meerwasser
    4. Bewe­gungs­en­er­gie von Fließwasser
    5. Wär­me­en­er­gie der Erdkruste
    6. Che­mi­sche Ener­gie der Biomasse
  7. Fort­set­zung folgt …

Historische Verehrung und die Energiequelle der Sonne

Die Son­ne ist nur ein Stern unter Mil­li­ar­den von Ster­nen unse­rer Gala­xis, der Milch­stra­ße. Aber für das zuge­hö­ri­ge Pla­ne­ten­sys­tem ist sie Haupt­quel­le aller Ener­gie­an­ge­bo­te. Sie bil­det den Ursprung der Ent­ste­hung von Leben auf der Erde und der resul­tie­ren­den mensch­li­chen Ent­wick­lung. Der Him­mels­lauf der Son­ne führ­te zur Zeit­ein­tei­lung in Jah­re und Tage und ist Grund­la­ge kul­ti­scher Ver­eh­rung durch die Mensch­heit. Vie­le Hoch­kul­tu­ren in Ägyp­ten, im anti­ken Grie­chen­land und im Römi­schen Reich, als auch die Hethi­ter, die Per­ser, die Kel­ten und Ger­ma­nen sowie Azte­ken, Inkas und vie­le wei­te­re Völ­ker betrach­ten sie als zen­tra­le oder gar höchs­te Gott­heit. Die Men­schen ver­ehr­ten dabei ihre Aspek­te Licht, Ener­gie, den Ori­en­tie­rung geben­den Son­nen­lauf des Tages sowie die Jah­res­zei­ten als Rhyth­mus für Säen und Ern­ten. 

Die Son­ne selbst gewinnt ihre für Jahr­mil­li­ar­den aus­rei­chen­de Ener­gie bekann­ter­ma­ßen auf der Grund­la­ge von Kern­kräf­ten, genau­er durch Kern­fu­si­ons­pro­zes­se in ihrem Inners­ten. Das Toben der Ener­gie erfolgt dabei in einer mit 150 Mil­lio­nen Kilo­me­tern für Leben auf der Erde aus­rei­chen­den Ent­fer­nung. Ener­gie als elek­tro­ma­gne­ti­sche Solar­strah­lung in Form soge­nann­ter Pho­to­nen, also Licht, gelangt auf die­ser Basis an die Ober­flä­che der Son­ne. Die Strah­lungs­en­er­gie wird kugel­för­mig um die Son­ne in alle Rich­tun­gen abge­ge­ben und gelangt über das Vaku­um zwi­schen Erde und Son­ne zur Atmo­sphä­re der Erde. Das Vaku­um bil­det hier­mit nach der Extrak­ti­on von Ener­gie in der Son­ne den natür­li­chen Trans­port­ka­nal, um Solar­strah­lung als Pri­mär­ener­gie von der Ener­gie­quel­le Son­ne zur Erde mit der Atmo­sphä­re als Schnitt­stel­le zu trans­por­tie­ren. Die­sen Extrak­ti­ons­pro­zess stellt die nach­fol­gen­de Abbil­dung dar.

Nutzung der Sonnenenergie in der menschlichen Geschichte

Um die Ener­gie der Son­ne zu nut­zen, erfan­den schon die alten Ägyp­ter Tech­no­lo­gien. Bei­spiels­wei­se wur­den zur Zeit des Pha­ra­os Ech­na­ton die Tore eines Tem­pels mit Son­nen­en­er­gie mor­gens geöff­net und abends geschlos­sen. Wie war das mög­lich? Hier­zu wird in [Bry­son, A., Bautz, S., Uber, M., 2008] fol­gen­des aus­ge­führt: „Wenn die auf­ge­hen­de Son­ne Was­ser in einem gro­ßen Behäl­ter in der Nähe des Tem­pels erwärm­te, dehn­ten Was­ser und Luft sich aus, das Was­ser im Behäl­ter lief über und floss in einen zwei­ten Behäl­ter, der per Seil­zug mit den Toren ver­bun­den war und die­se mit sei­nem Gewicht auf­zog. Bei Son­nen­un­ter­gang kühl­te das Was­ser ab und floss mit dem nach­las­sen­den Druck in den gro­ßen Behäl­ter zurück. Ein schwe­rer Stein, der als Gegen­ge­wicht dien­te, zog die Tore wie­der zu.“

Auch solar­ther­mi­sche Ver­fah­ren waren schon in der Anti­ke bekannt. „Sicher nach­ge­wie­sen ist die Ver­wen­dung von Brenn­spie­geln im anti­ken Grie­chen­land und Rom. Der grie­chi­sche Phi­lo­soph Aris­to­te­les berich­tet um 350 v. Chr. zudem, dass See­leu­te mit Hil­fe der Destil­la­ti­on durch Son­nen­wär­me Trink­was­ser aus Meer­was­ser gewan­nen.“ Die Meer­was­ser­ent­sal­zung mit Hil­fe erneu­er­ba­rer Ener­gie ist somit seit Jahr­tau­sen­den bekannt. Eben­so wur­de in einer Ort­schaft der grie­chi­schen Halb­in­sel Chal­ki­di­ki die Basis für Nied­rig­ener­gie­häu­ser gelegt, indem die Win­ter­son­ne über Öff­nun­gen im Haus spe­zi­el­les, die Wär­me gut spei­chern­des Gestein bestrahl­te, das dann nachts die Wär­me an das Haus­in­ne­re zurückgab.

Schon im 18. Jahr­hun­dert wur­den die Vor­läu­fer der heu­ti­gen Solar­kol­lek­to­ren ent­wi­ckelt. Der Phy­si­ker Edmond Bec­que­rel ent­deck­te schließ­lich 1839 den Pho­to­ef­fekt und damit die Grund­la­ge der heu­ti­gen Pho­to­vol­ta­ik. 

Umwandlung von Sonnenenergie in chemische Energie

Die von der Son­ne zur Erde strö­men­de Strah­lungs­en­er­gie bil­det die Ursa­che für viel­fäl­ti­ge Wand­lungs­pro­zes­se, die natür­li­che Ener­gie­spei­cher der Erde befül­len. Die­se Spei­cher die­nen in wei­te­ren Pro­zes­sen wie­der­um als Ener­gie­quel­len. 

Bei­spiels­wei­se akti­viert Solar­strah­lung die pflanz­li­che Pho­to­syn­the­se zur Spei­che­rung che­mi­scher Ener­gie. Tie­re nut­zen die­se Ener­gie, geben che­mi­sche Ener­gie aber auch über die Nah­rungs­ket­te tie­ri­scher Lebens­for­men wei­ter. Der­ar­ti­ge Pro­zes­se gel­ten als nach­hal­tig, solan­ge sich die Ent­ste­hung von Pflan­zen und deren Abbau im Gleich­ge­wicht befin­det. Somit kann die Nut­zung von Bio­en­er­gie, die auf nach­wach­sen­den bio­lo­gi­schen Rest­stof­fen basiert, als erneu­er­ba­re Ener­gie betrach­tet wer­den, solan­ge das Gleich­ge­wicht pflanz­li­cher Kreis­läu­fe gewahrt bleibt. 

In Tie­ren und Pflan­zen gespei­cher­te che­mi­sche Ener­gie bleibt nach dem Tod erhal­ten. Des­halb konn­ten über Jahr­mil­lio­nen erd­ge­schicht­li­che Pro­zes­se auf Grund­la­ge der pflanz­li­chen und tie­ri­schen Rest­stof­fe umfang­rei­che Ener­gie­spei­cher in Form von Koh­le, Erd­öl und Gas bereit­stel­len. Die­se Spei­cher bil­de­ten seit der indus­tri­el­len Revo­lu­ti­on die vor­ran­gig genutz­ten Ener­gie­quel­len. Das Befül­len die­ser Ener­gie­spei­cher dau­er­te hun­der­te Mil­lio­nen Jah­re, wäh­rend die Mensch­heit für deren Lee­rung nur Jahr­hun­der­te benö­tig­te. Der Spei­che­rung von Roh­stof­fen über Äonen sowie deren nicht nach­hal­ti­ge Nut­zung in kur­zen mensch­li­chen Ent­wick­lungs­pe­ri­oden bil­den kein Gleich­ge­wicht. 

Umwandlung von Sonnenenergie in Wärmeenergie und Bewegung von Wasser

Die Solar­strah­lung bil­det auch die Ursa­che einer wei­te­ren erneu­er­ba­ren Ener­gie­quel­le. Die Erwär­mung der Erd­ober­flä­che durch die Son­ne sowie die unter­schied­li­chen in der Atmo­sphä­re ent­ste­hen­den Tem­pe­ra­tu­ren füh­ren zu Druck­un­ter­schie­den in der Luft, die durch Wind aus­ge­gli­chen wer­den. Inso­fern kann neben der direk­ten Ver­wer­tung der Solar­strah­lung die Atmo­sphä­re als Ener­gie­quel­le die­nen. Die Atmo­sphä­re lässt sich dabei als Tem­pe­ra­tur- und Druck­luft­spei­cher betrach­ten, der poten­zi­el­le Ener­gie auf Basis von Tem­pe­ra­tur- und Druck­un­ter­schie­den bereit­stellt. Befüllt wird die­ser Spei­cher durch die Solar­strah­lung als Pri­mär­ener­gie. Das Bestre­ben zum Aus­gleich von Tem­pe­ra­tur- und Druck­un­ter­schie­den bil­det mit Luft­be­we­gun­gen einen natür­li­chen Extrak­ti­ons­me­cha­nis­mus, aus dem Wind als Bewe­gungs­en­er­gie der Luft resultiert.

Wei­ter­hin ver­dampft die Ener­gie der Son­ne das Was­ser auf der Erd­ober­flä­che. Die resul­tie­ren­den Was­ser­kreis­läu­fe füh­ren zu Regen­fäl­len. Her­ab­fal­len­des Was­ser sam­melt sich in unter­schied­li­chen Höhen­la­gen und stellt somit wie­der­um Unter­schie­de als poten­zi­el­le Ener­gie bereit. Auch die­se Dif­fe­ren­zen stre­ben nach Aus­gleich, der durch den Fluss des Was­sers her­bei­ge­führt wird. Dabei wird poten­zi­el­le Ener­gie in Bewe­gungs­en­er­gie des Was­sers umge­wan­delt. 

Durch Ener­gie­auf­wand ergibt sich zusätz­lich die Mög­lich­keit, Was­ser in Zei­ten gerin­ge­ren Ener­gie­be­darfs auf höhe­re Lagen zu pum­pen und bei höhe­rem Bedarf zur Ener­gie­ge­win­nung wie­der nach unten flie­ßen zu las­sen. 

Lebensspendende Geburt der Sonne sowie ihrer Planeten und deren Monde

Die Exis­tenz der Son­ne star­te­te mit einer Explo­si­on. Gas­wol­ken aus Was­ser­stoff im Welt­all ver­dich­te­ten sich durch Gra­vi­ta­ti­ons­kräf­te ste­tig, bis der dabei wach­sen­de Druck im Inne­ren der Wol­ke dazu führ­te, dass Was­ser­stoff­ato­me mit­ein­an­der ver­schmol­zen. Mit der initia­len Zün­dung die­ses Kern­fu­si­ons­pro­zes­ses wur­de der lebens­spen­den­de, gel­ben Feu­er­ball gebo­ren. Die Explo­si­on schleu­der­te umge­ben­de Gase und den Staub wei­te­rer che­mi­scher Ele­men­te aus frü­he­ren Stern­ex­plo­sio­nen in Umlauf­bah­nen um die Son­ne. Die­se Mate­ria­li­en ver­dich­te­ten sich über hun­der­te Mil­lio­nen Jah­re zu den Pla­ne­ten des Sonnensystems.

Die auf dem wach­sen­den Pla­ne­ten zuneh­men­den Gra­vi­ta­ti­ons­kräf­te bewirk­ten, dass sich der Erd­kern in Ver­bin­dung mit ato­ma­ren Pro­zes­sen von im Erd­kern ein­ge­schlos­se­nen radio­ak­ti­ven Ele­men­ten auf­heiz­te. Der Erd­kern bil­det damit als Wär­me­spei­cher eine wei­te­re Ener­gie­quel­le, deren bis zur Erd­ober­flä­che auf­stei­gen­de Wär­me als erneu­er­ba­re Ener­gie mit geo­ther­mi­schen Anla­gen ange­zapft wer­den kann. Da die Mensch­heit aktu­el­le nicht fähig ist, die über Jahr­mil­li­ar­den gespei­cher­te Wär­me­en­er­gie in den Zei­ten mensch­li­cher Exis­tenz signi­fi­kant auf­zu­brau­chen, kann der Ein­satz ther­mi­scher Ener­gie aus der Erd­krus­te als erneu­er­ba­rer Pro­zess ein­ge­stuft werden.

Die oben genann­ten Pro­zes­se zur Erwär­mung des Erd­kerns sind Grund­la­ge für die Bewe­gung der Erd­plat­ten. Die­se Bewe­gung ver­än­dert stän­dig die Bede­ckung der Erd­ober­flä­che mit Meer­was­ser. Mee­re ent­ste­hen auf Land­ge­bie­ten neu und trock­nen an ande­ren Stel­len aus. Süß­was­ser fließt in die Mee­re. All dies führt zu einer stän­di­gen Inter­ak­ti­on von Was­ser mit hohem und mit nied­ri­gem Salz­ge­halt. Die­se Vor­gän­ge bil­den eine wei­te­re che­mi­sche Ener­gie­quel­le, die als erneu­er­ba­re Ener­gie nutz­bar ist.

Nicht zuletzt ist auch die Schwer­kraft zwi­schen Mond und Erde eine Ener­gie­quel­le, die Bewe­gungs­en­er­gie als Gezei­ten mit Ebbe und Flut der Ozea­ne und Mee­re bereit­stellt. 

Staub der Sterne und Schutz vor der Sonne

Grund­sätz­lich nut­zen alle Ster­ne des Uni­ver­sums Ener­gie­quel­len auf Basis von Ele­men­ten, deren Atom­ker­ne unter Ener­gie­ge­win­nung fusio­nie­ren. Der durch die Fusi­on von Was­ser­stoff in der Son­ne frei­wer­den­den Strah­lungs­en­er­gie ver­dankt jedes Leben auf der Erd­ober­flä­che sei­ne Existenz.

Ster­ben­de Stern schaf­fen aber mit ihrer unge­heu­ren Ener­gie auch schwe­re Ele­men­te, deren Ker­ne bei Spal­tungs­pro­zes­sen Ener­gie frei­set­zen. Die Wis­sen­schaft ver­mu­tet, dass natür­li­che Spal­tungs­pro­zes­se von Atom­ker­nen zur wei­te­ren Wär­me­zu­fuhr im Erd­kern bei­tra­gen, des­sen Wär­me­strah­lung neben der Solar­strah­lung und den Wir­kun­gen der Schwer­kraft die Grund­la­ge für orga­ni­sches Leben auf der Erde bildet.

Die auf Kern­fu­si­on im inne­ren der Son­ne oder auf Kern­spal­tung im Kern der Erde basie­ren­den Ener­gie­quel­len wir­ken in genü­gen­der Ent­fer­nung von mensch­li­cher Exis­tenz. Solan­ge kei­ne Rei­sen zum Erd­kern unter­nom­men wer­den, besteht also also kei­ne Gefahr für den Men­schen. Ander­seits umfasst die Nut­zung des auf der Erd­ober­flä­che abbau­ba­ren radio­ak­ti­ven Urans als spalt­ba­res Mate­ri­al erheb­li­che Risi­ken sowie über Jahr­hun­der­tau­sen­de rei­chen­de, not­wen­di­ge Maß­nah­men zur siche­ren End­la­ge­rung radio­ak­ti­ver Abfäl­le. Des­halb wird die Ener­gie der Kern­spal­tung nach der­zei­ti­gem Stand von Wis­sen­schaft und Tech­nik nicht als erneu­er­ba­re Ener­gie ver­stan­den. Die Eigen­schaf­ten, die Sta­bi­li­tät und die natür­li­che Rege­ne­ra­ti­ons­fä­hig­keit der mensch­li­chen Lebens­um­ge­bung auf der Erde sind unter Betrach­tung die­ser Aspek­te aktu­ell nicht sicher zu gewährleisten.

Bezüg­lich der wei­te­ren Nut­zung von Kern­ener­gie durch Kern­fu­si­on folgt im Aus­blick auf die Zukunft eine geson­der­te Betrachtung.

Auch die Son­ne lie­fert nur schein­bar fried­lich ihre Ener­gie zur Erde. Mäch­ti­ge Son­nen­stür­me wir­ken in der sola­ren Atmo­sphä­re. Dabei kann es zum Aus­wurf von Son­nen­ma­te­rie in das Welt­all kom­men. Die­se hoch­en­er­ge­ti­schen Teil­chen­strö­me besit­zen eine für das Leben auf der Erde töd­li­che Bewe­gungs­en­er­gie. Doch die Erde bie­tet einen Schutz­schirm, der das bio­lo­gi­sche Leben erst ermög­lich­te. Das reich­lich im Erd­kern vor­han­de­ne Eisen erzeugt durch die Dreh­be­we­gung der Erde ein Magnet­feld, dass die elek­trisch gela­de­nen Teil­chen­strö­me der Son­ne um die Erde führt. Die­se Wir­kung wird sicht­bar, wenn das Polar­licht in bezau­bern­den For­men den Nacht­him­mel erleuch­tet. Auch Magnet­fel­der ste­hen als Ener­gie­quel­len zur Ver­fü­gung. Doch in der Gegen­wart wird das Magnet­feld der Erde als Ener­gie­quel­le nicht genutzt, um elek­tro­ma­gne­ti­sche Ener­gie­flüs­se als Pri­mär­ener­gie ein­zu­set­zen. Hier exis­tie­ren freie Poten­zia­le, die von tech­no­lo­gi­schen Pio­nie­ren bereits unter­sucht wer­den. Einen kur­zen Aus­flug in das wei­te Feld mög­li­cher zukünf­ti­ger Ver­fah­ren unter­nimmt das nächs­te Kapitel.

Quel­len:

Bry­son, A., Bautz, S., Uber, M. (2008). Ange­be­tet, gefürch­tet, zunut­ze gemacht, aber nie gezähmt. In: Thys­sen Krupp Maga­zin (2008), Heft 01. Düsseldorf

Ener­gie­quel­len der Gegen­wart” — Lei­men / Hei­del­berg — 22. Juli 2022

Andre­as Kieß­ling, ener­gy design

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