Energieträger
Mit dem Ausdruck Energieträger wird der Rohstoff bezeichnet, der für die Energiegewinnung nutzbar gemacht wird, bzw. werden kann.
Hauptenergieträger und -quelle ist die Sonnenenergie. Fossile und erneuerbare Energieträger speichern umgewandelte Sonnenenergie.
Fossile Energieträger
Die fossilen Energieträger sind aus Biomasse entstandene Stoffe, die unter Luftabschluss von der Atmosphäre nicht verrotteten und so ihre chemische Energie erhielten. Man unterscheidet zwischen Kohle, Erdgas und Erdöl.
Braun- und Steinkohle
Stein- und Braunkohle bildeten sich vor 200 bis 400 Millionen Jahren aus abgestorbenen Bäumen und Pflanzen, die im Morast absackten und langsam zusammengedrückt wurden. Dieser Prozess wird auch als Inkohlung bezeichnet.
Steinkohle ist die tieferliegende Kohlenart und wird daher unter Tage in Stollen und Schächten abgebaut, während die weiter oben liegende Braunkohle im Tagebau abgebaut werden kann. Je tiefer die Kohle liegt, desto weniger Sauerstoff und desto mehr Kohlenstoff hat sie. Dies erhöht den Heizwert der Kohle.
Stein- und Braunkohle werden in Dampfkraftwerken verfeuert. Die daraus entstehende Wärmeenergie wird genutzt, um Wasser zu Wasserdampf umzuwandeln und damit über eine Dampfturbine mechanische, daraus wiederum über einen Generator elektrische Energie zu gewinnen.
Erdgas und Erdöl
Erdgas und Erdöl entstanden vor etwa 70 Millionen Jahren aus abgestorbenen Wassertieren- und pflanzen. durch Sedimentation der Mikroorganismen in Verbindung mit mineralischen Schwebstoffen. Erdgas besteht vorwiegend aus Methan (CH4). Typische Verunreinigungen sind Schwefel-Verbindungen, Schwefelwasserstoff und Stickstoff-Verbindungen.
Erneuerbare Energieträger (auch Regenerative Energie)
Erneuerbare Energieträger sind auf der Erde unbegrenzt vorhanden, d.h. im Gegensatz zu fossilen Energieträgern gehen sie nie zur Neige.
Wasserkraftwerke nutzen die potentielle Energie (Energie aus dem Höhenunterschied) oder kinetische Energie (Energie durch Geschwindigkeit) von stetig fließendem Wasser, um daraus mittels Wasserturbinen mechanische, daraus wiederum elektrische Energie zu gewinnen.
Gezeitenkraftwerke nutzen die kinetische Energie der Meeresströmung, um daraus elektrische Energie zu gewinnen.
Unterschiedlich erwärmte Luftschichten führen zu einer Verfrachtung von Luft, auch als Wind bezeichnet. Windkraftanlagen nutzen heute in windreiche Gegenden die natürliche Energie des Windes, um diese mit Hilfe von Propellern in mechanische Energie und schließlich in einem Generator in elektrische Energie umzuwandeln. Windenergie wurde bereits seit dem 10. Jahrhundert in Windmühlen genutzt, um Getreide zu mahlen.
Zur direkten Nutzung der Energie aus der Strahlung der Sonne gibt es zwei Methoden. Zum einen kann Sonnenenergie mittels Solarzellen direkt in elektrischen Gleichstrom umgewandelt werden (Photovoltaik), zum anderen kann die Sonnenwärme in Sonnenkollektoren durch Absorption von Sonnenstrahlen an ein Trägermedium wie Wasser abgegeben werden.
Erdwärme (Geothermie)
Die geothermische Energie ist die in Form von Wärme gespeicherte Energie unterhalb der Erdoberfläche. Im Erdinneren sind immense Mengen an Wärme gespeichert, die hauptsächlich durch den Zerfall natürlicher radioaktiver Isotope entstehen. Die Temperatur im Erdkern beträgt schätzungsweise 6000 °C, im oberen Erdmantel noch 1300 °C. 99 % des Erdballs sind heisser als 1000 °C, nur 0,1 % sind kühler als 100 °C. Dabei nimmt im Schnitt die Temperatur um 3 °C pro 100 m Tiefe zu. Manche Gebiete haben jedoch einen höheren Temperaturgradienten, so zum Beispiel in Italien, Island, Indonesien oder Neuseeland.
Biomasse zählt zu den nachwachsenden Rohstoffen, d.h. sie steht nicht unbegrenzt zur Verfügung (wie etwa Windenergie), kann jedoch innerhalb kurzer Zeit auf natürliche Weise wieder entstehen (im Gegensatz zu fossilen Energieträgern). Biomasse entsteht durch die Umwandlung von Energie aus der Sonnenstrahlung mit Hilfe von Pflanzen über den Prozess der Photosynthese in organische Materie. Biomasse stellt damit gespeicherte Sonnenenergie dar. Der Unterschied von Biomasse zu anderen Nutzungsarten der Sonnenenergie ist deren Unabhängigkeit von den Zeiten der Sonneneinstrahlung.
Man unterscheidet zwischen fester Biomasse (Brennholz, Stroh, Kuhfladen), flüssiger Biomasse (Bioalkohol aus Zuckerrüben, Getreide oder Kartoffeln, Pflanzenöle aus Raps oder Sonnenblumen, Ester) und gasförmiger Biomasse wie Biogas (Methan).
Reaktionsenergie
In einer Brennstoffzelle reagieren Wasserstoff und Sauerstoff miteinander zu Wasser. Beide Gase sind durch einen Elektrolyten voneinander getrennt und tauschen nur über einen elektrischen Leiter Elektronen aus. Dieser Elektronenfluss macht die Brennstoffzelle zur Stromquelle. Genutzt wird jedoch auch die entstehende Wärme. Als Reaktionsprodukt entsteht reines Wasser, was die Brennstoffzelle umweltfreundlich macht.
Bei der Kernspaltung von Uran oder Plutonium entstehen Energie und Neutronen, die ihrerseits wiederum weitere Spaltungen auslösen. Diese in dieser Kettenreaktion frei werdende Energie wird in einem Atomreaktor kontrolliert genutzt.
Unter Kernfusion versteht man die Verschmelzung leichter Atomkerne zu schwereren. Dabei entsteht ein neues chemisches Element. Die Sonne und viele Sterne gewinnen ihre Energie durch Kernfusion. Um die Fusion zu zünden, muss der Brennstoff (Wasserstoff-Plasma) in Magnetfelder eingeschlossen und auf 100 Millionen Grad aufgeheizt werden. Die größte Energieausbeute liefert die Reaktion zwischen den beiden schweren Sorten des Wasserstoffs - Deuterium und Tritium. Bei der Verschmelzung zu einem Heliumkern wird ein schnelles Neutron frei, das 80 Prozent der gewonnenen Energie mit sich trägt. Damit lassen sich aus einem Gramm dieses Brennstoffs durch Kernverschmelzung 50.000 Kilowattstunden Energie gewinnen, soviel wie die Verbrennungswärme von elf Tonnen Kohle. Die Grundstoffe, die für den Fusionsprozess benötigt werden, sind in nahezu unbegrenzter Menge vorhanden und über die ganze Welt verteilt.