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Christoph Buchal
ENERGIE Natur
Mensch
Technik
Umwelt
Klima
Zukunft
Wir alle
benötigen täglich
sehr viel Energie.
Wofür ?
Christoph Buchal
ENERGIE
Wie viel ?
Wie wird dadurch das Klima
beeinflusst ?
Woher nehmen wir
diese Energie ?
Wie lange reichen
unsere Vorräte noch ?
Diese Zusammen-
hänge müssen wir
verstehen, um klug
handeln zu können.
Herausgeber
Forschungszentrum Jülich GmbH
Inhalt
in der Helmholtz-Gemeinschaft
(www.fz-juelich.de)
Deutsches Zentrum für Von der Hexenküche „Urknall“ bis in unsere Gegenwart
Luft- und Raumfahrt e. V.
in der Helmholtz-Gemeinschaft
(www.dlr.de)
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Hexenküche Urknall 12
in der Helmholtz-Gemeinschaft Von seinem Startkapital an Energie
(www.fzk.de) lebt das Universum bis heute
Mit Unterstützung durch den Die Entwicklung bis zur Gegenwart 16
Arbeitgeberverband Gesamtmetall – THINK ING. Die Herstellung und der Druck dieses Ein Blick zurück – bis in die Frühzeit des Universums
(www.gesamtmetall.de, www.think-ing.de)
Werkes wurden durch die Wilhelm und Wie lange leuchtet
Konzept, Texte und Redaktion
Else Heraeus-Stiftung finanziert. die Sonne noch für uns? 20
Prof. Dr. Christoph Buchal Nur noch „zwei Wochen im Weltall-Kalender“ –
Institut für Bio- und Nanosysteme Die Wilhelm und Else Heraeus-Stiftung doch lange genug für die Menschheit
Forschungszentrum Jülich GmbH ist eine Stiftung des bürgerlichen
52425 Jülich
E-Mail: c.buchal@fz-juelich.de Rechts zur Förderung von Forschung
und Ausbildung auf dem Gebiet der
Konzept, Design, digitale Realisation,
Illustration und Produktion Naturwissenschaften, insbesondere
Jutta Felten, MIC GmbH, 50674 Köln der Physik. Sie unterstützt die
Tel. 0221 925950-0
naturwissenschaftliche Bildung im
Bestellungen Bereich der Schulen, wozu wesentlich
info@mic-net.de
www.mic-net.de auch das Wissen um den bewussten
und verantwortungsvollen Umgang mit
Druck und Verarbeitung Energieformen und -systeme 24
Energie gehört.
Koelblin-Fortuna-Druck GmbH & Co. KG Ein sorgfältiger Blick in die Welt um uns herum
76532 Baden-Baden Die Stiftung hat ihren Sitz in Hanau,
Unsere Energiebilanz im Alltag 29
1. Auflage: 2007, 50.000 Exemplare
ihre Internetadresse lautet
Essen, Wohnen, Fahren – glücklich,
ISBN 978-3-89336-503-6 www.we-heraeus-stiftung.de. wer alle Möglichkeiten hat
Die globale Perspektive –
Bilder eine wichtige Grafik 31
Die riesengroßen Unterschiede
Austrian Airlines AG: S. 25 Forschungszentrum Karlsruhe GmbH: NOAA – National Oceanic and Atmospheric
AWI – Alfred Wegener Institut für Polar- und S. 100, 135, 136, 137, 154, 155 Administration: S. 79, 80 zwischen arm und reich
Meeresforschung: S. 93 Helmholtzzentrum Jülich GmbH: Norfolk Line GmbH: S. 25
Prof. Dr. G. Bohrmann, Universität Bremen: S. 87, 125, 130, 150, 152, 153 The Parker Lab: S. 36 Die großzügige Natur
S. 116, 117, 118, 119 Gerolsteiner Brunnen: S. 24, 42 Pfeiffer Vacuum GmbH: S. 120, 121 und die versteckten Kosten 32
Burger King GmbH: S. 41 Google Incorporation: S. 76, 77 RWE AG: S. 24, 25, 70, 71
CBS Corporation: S. 76 The Greenwich Workshop: S. 18 SeeBa Energiesysteme GmbH: 143
Eine überraschende Erkenntnis
Deutsche Bahn AG: S. 25, 52 Ian Giammanco: S. 79 Shell AG: S. 24, 25, 97, 133, 159
DeWind GmbH: S. 20, 24, 25, 97, 120, 142, 143 Hauni Maschinenbau AG: S. 150 Siemens AG: S: 124, 148, 149
Die Eisernen Regeln 33
DLR – Deutsches Zentrum für Luft- und Infineon Technologies AG: S. 159 Stadtwerke Bochum: S. 149 Die Hauptsätze der Thermodynamik
Raumfahrt: S. 108, 120, 125, 133, 151 ITER – Internationaler thermonuklearer United Artists Way: 128 sind unerbittlich und unumstößlich
e-on AG: S. 20, 24, 25, 70, 71, 121 Experimentalreaktor: S. 141 Universität Münster: S. 18
Ford Werke AG: S. 159 Lufthansa AG: S. 55 Vattenfall Europe AG: S. 24, 25, 70, 71, 123 Die Bedeutung der Konzentration 34
Forschungsverbund Berlin e. V.: S. 17 Nasa – National Aeronautics and Space Weberhaus GmbH & Co. KG: S. 48
Forschungsverbund Sonnenenergie e. V.: Administration: S. 1, 2, 12, 13, 15, 16, 17, alle Übrigen: MIC GmbH Auch Gratisgeschenke muss man sich erst einmal erarbeiten
S. 99, 107 20, 24, 25, 68, 80, 129, 159
Der Energiekreislauf des Lebens Energie und Umwelt
Der Energiekreislauf des Lebens 36 Ein Gewitter zieht auf 75
Die Natur ist der Technik in vielen Punkten noch Eine kleine Geschichte vom machtvollen Wasserdampf
immer weit voraus!
Die globalen Energieströme 77
Essen, Arbeiten, Heben und Fallen 42 Meeresströmungen und Winde sind entscheidend
Hier kann man sich selbst kennen lernen für Klima und Wetter
Menschen und Motoren 44 Die Pumpe mit Salzantrieb 82
Eine Maschine arbeitet fast immer viel Was treibt den nördlichen Zweig des Golfstroms an?
preiswerter als Menschen
Der Treibhauseffekt 84
CO2 – allgegenwärtig 45 Ohne Atmosphäre wäre die Erde vollständig vereist –
Eine Zusammenstellung von Fakten – trotz aller Sonnenwärme
wichtig auch für die Klimadiskussion
Ein Blick zurück 88
Über kleine und große Eis- und Warmzeiten
Klimakatastrophe oder nicht? 91
Energie und Technik Einige Fakten und Zahlen zur globalen Klimaveränderung
Verkehr 50 Energie und Zukunft
Wer kann es besser – das Flugzeug, der Bus oder gar das Fahrrad?
Von der Primärenergie zum Verbraucher 58 Energie kann viele Probleme lösen 95
Energietransport und -umwandlung kosten oft viel Energie Preiswerte Energie ist ein Schlüssel für eine glückliche Zukunft
Wärmekraftmaschinen 62 Ein vorsichtiger Blick in die Zukunft 99
Kraftwerke, Turbinen, Motoren – allgegenwärtig Die grundlegenden Fakten
Dieselmotor 63 Ein Besuch im Solarkraftwerk im Jahr 2030 102
Ein einziges Tröpfchen Diesel ist ihm genug Eine optimistische Science-Fiction-Story
mit vielen realistischen Perspektiven
Blackout – Menschen ohne Strom 65
Schwarzer Humor – ernst gemeint Methan 113
Erdgas und Biogas – sehr wertvolle Energieträger
Wärme und Temperatur 66
Wenn man es genauer wissen will, Methanhydrat – Fakten und Spekulationen 115
wird es kompliziert Äußerst spannend – wir bleiben dennoch auf dem Boden der Tatsachen
Ein nicht ganz ernster Check 67
Sieht einfacher aus als es ist … Energietechnik – interessant und zukunftssicher
Die weltweiten Energiereserven 68
Da steckt viel Zündstoff drin!
Speicherkraftwerke 122
14238 Petajoule 69 Gasturbinen- und Dampfkraftwerk (GuD) 124
Der deutsche Bedarf an Primärenergie CCS – CO2-Abscheidung und Lagerung 126
Wasserstoff 128
Zeit zum Nachdenken 70
Brennstoffzellen 130
Es lohnt sich, diese Seiten besonders sorgfältig zu lesen
Sonnenenergie 132
Biomasse 134
Geothermie 136
Kernenergie 138
Kernfusion 140
Windkraftanlagen 142
Berufsbilder 147
Liebe Leser,
nur durch den Umsatz von Energie können wir unsere Körperfunktionen auf- auf neuestem Stand, die gute Argumente liefert gegen unnötige Ängste, aber
recht erhalten, denken, Arbeit verrichten, Maschinen betreiben oder Wärme auch gegen Wunschdenken und unhaltbare Versprechungen.
erzeugen. Wer dieses Buch sorgfältig liest, wird darin viele ganz unterschiedliche Chan-
Deshalb sind die Fragen nach der Deckung unseres persönlichen Energiebe- cen erkennen – vielleicht auch für seine berufliche Zukunft, denn der unab-
darfs und nach der Situation der Energieversorgung und der Weltenergievor- weisbare Bedarf an Energie kann nur noch durch den Einsatz einer großen
räte so wichtig – sie spielen eine entscheidende Rolle für unsere gegenwärtige Vielfalt von „Energiesystemen“ gedeckt werden. Intensive Forschung für neue
und zukünftige Lebensqualität. Zusätzlich haben die heißen Diskussionen um Technologien, aber auch die stetige Verbesserung bestehender Techniken
eine drohende „Klimakatastrophe“ das allgemeine Bewusstsein für die Pro- und alltäglicher Verfahren bietet ein ideales Berufsfeld für technisch und natur-
blematik unseres Energiebedarfs geweckt und geschärft. wissenschaftlich interessierte junge Menschen.
Woher kommt unsere Energie, wieviel benötigen wir und wie lange reichen die Wir wünschen allen Lesern viel Freude, Einsichten und Erfolgserlebnisse mit
Vorräte noch? diesem abwechslungsreichen Werkbuch über ein hochaktuelles Thema, das
unser aller Zukunft ganz entscheidend prägen wird.
Welche Energieträger stehen uns neben Kohle, Uran, Gas und Öl noch zur
Verfügung und wie leistungsfähig sind die alternativen Energiequellen?
Wenn das Erdöl zur Neige geht, ist dann Biosprit eine Lösung – oder wird des-
halb ein noch größerer Teil der ständig wachsenden Weltbevölkerung Hunger
leiden müssen? Noch ist Öl unser wichtigster Energieträger, aber wer heute
zur Schule geht, wird mit Sicherheit ständig steigende Energiekosten und mit
hoher Wahrscheinlichkeit auch Ölpreiskrisen erleben, weil die Nachfrage nach Prof. Dr. Dieter Röß Prof. Dr. Achim Bachem
Öl weiter wächst und die Vorräte schrumpfen. Vorsitzender des Vorstands, Vorsitzender des Vorstands,
Wilhelm und Else Heraeus-Stiftung, Hanau Forschungszentrums Jülich GmbH
Können wir die Emissionen aus der Öl-, Gas- und Kohleverbrennung über-
haupt schnell stoppen?
Wie beeinflussen wir damit das Klima – was genau ist der natürliche Treib-
hauseffekt und was sind die Beiträge der Menschen?
In diesem Buch sind eine Menge interessanter und wichtiger Fakten zu die-
sen Fragestellungen zusammengetragen. Die zugehörigen Berechnungen und Prof. Dr. Eberhard Umbach Prof. Dr. Johann-Dietrich Wörner
Checks sind leicht nachvollziehbar und öffnen die Augen für die entschei- Vorsitzender des Vorstands, Vorsitzender des Vorstands,
denden Größenordnungen. Sie bieten damit eine zuverlässige Wissensbasis Forschungszentrums Karlsruhe GmbH Deutsches Zentrum für Luft- und
Raumfahrt e. V., Köln
Prof. Dr. Christoph Buchal, Nun möchte ich mich bedanken:
Physiker • Vor allem bei der Wilhelm und Else Heraeus-
Stiftung für die Finanzierung der Produktion dieses
„
Werkbuches. Zum Thema „Energie“ hat die Stiftung
Als ich zur Schule ging, gab es nur halb so viele Menschen auf der Erde bereits das ausführliche Faktenbuch von Klaus
wie heute, das Benzin kostete 40 Pfennig pro Liter (20 Cent) und das Heinloth „Die Energiefrage“ ermöglicht.
Heizöl 10 Pfennig (5 Cent). Im bitter kalten Winter 1962 / 63 wurde in • Die Vorstände des Helmholtz-Zentrums Jülich, die
der Schule bereits über das nahende Ende unserer „Zwischeneiszeit“ Herren Prof. Joachim Treusch und Die vielfältigen und komplex
und die nächste Eiszeit diskutiert. Das CO2 in der Luft galt zu Recht Prof. Achim Bachem, haben dieses Projekt von Anfang verwobenen Aspekte des
zusammen mit Sonne und Wasser als wichtigster „Ernährer“ der an unterstützt. Themas „Energie“ werden hier
Pflanzenwelt – unverzichtbar und in keiner Weise gefährlich. Als • Ganz besonders dankbar bin ich Herrn Prof. Klaus sehr animierend dargestellt.
größte Bedrohung wurden der Kalte Krieg und die Atombomben Heinloth, Bonn, dem stets energiegeladenen Autor der Das Werkbuch bietet eine
wahrgenommen. „Energiefrage“. Er hat mir in zahlreichen Diskussionen hervorragende Basis für einen
mit seinem breiten Wissen unendlich geholfen.
zeitgemäßen, anspruchsvoll
Als ich mein Physikstudium begann, schien eine ausreichende Energie- und Lebensmittel- • Herr Dr. Ernst Dreisigacker, Hanau, hat alle Texte
kompetenzorientierten
versorgung in Friedenszeiten auf fast unbegrenzte Zeit gesichert durch Kohle, Öl, die neu mit größter Sorgfalt gelesen und mit zahlreichen,
entstehenden Kernreaktoren sowie durch die Produkte der Chemie wie Kunstdünger, kompetenten Hinweisen ergänzt. Unterricht in den Natur- und
• Gesellschaftswissenschaften.
“
Pflanzenschutzmittel und Medikamente. Herr Dr. Gerd Eisenbeiß und viele andere Kollegen in
Jülich, Köln und Karlsruhe haben mich mit Daten und
Nun werde ich 60 Jahre alt. Wir sind in Europa glücklicherweise von großen Kriegen verschont Fakten unterstützt. Dr. Wolfgang Welz, Physiker,
geblieben. Dennoch hat sich auch unsere Welt mit unheimlicher Geschwindigkeit verändert, und • Die Seitenproduktion und die graphische Obere Schulaufsicht NRW
der Wandel scheint sich noch weiter zu beschleunigen. Ausgestaltung zusammen mit Frau Felten und
Herrn van Son, MIC GmbH Köln, war sehr anregend
Inzwischen wird sehr ernsthaft und mit großer Sorge diskutiert, ob wir Menschen unsere Erde und motivierend.
•
„
bereits übermäßig ausgeplündert und ihre Atmosphäre ruiniert haben. Längst gibt es gar keinen Herr Prof. Gerd Bohrmann, Bremen, hat uns seine
Zweifel daran, dass unsere Kinder in den nächsten 60 Jahren eine stetige und sehr einschneidende Bilder vom Methanhydrat geschenkt.
Verteuerung der Ölprodukte erleben werden, denn die Nachfrage wird vermutlich schneller steigen • Schülerinnen und Schüler des „Gymnasium Haus
als die Produktion. Die Zahl der Menschen und ihre Ansprüche nehmen ständig zu. Wir stehen hier Overbach“, Jülich, haben sich kritisch und hilfsbereit
Eine der wichtigsten
vor noch ungelösten Aufgaben: mit dem Inhalt auseinander gesetzt.
Herausforderungen
• Wie werden wir in Zukunft den (Bio-)Sprit herstellen – ohne andernorts Hungersnöte zu • Und schließlich hat meine Frau Gisela ihre große
des 21. Jahrhun-
vergrößern? pädagogische Erfahrung immer wieder eingebracht,
• Wie können wir ausreichend und bedarfsgerecht Strom erzeugen ohne die Kohle- und wenn ihr meine doch so wichtigen Fakten und Zahlen derts ist die Sicher-
Kernkraftwerke? viel zu trocken erschienen für eine lebendige und stellung einer
“
verständliche Darstellung: umweltverträglichen
Jede Zeit hat ihre Herausforderungen – glücklicherweise hat unsere Zeit viele technische und bezahlbaren
Möglichkeiten, die unsere Vorfahren noch nicht kannten. Ich wünsche mir besonders, dass „Bitte wecke vor allem bei deinen Lesern das Interesse an Energieversorgung.
sich viele begabte junge Leute der vielfältigen Probleme und Aufgaben annehmen, die in den diesem wichtigen Thema!“
Bereichen der Energieforschung und -technik vor uns liegen. Zielführend ist dabei eine dringende Prof. Dr. Klaus Heinloth,
Versachlichung der Diskussionen über unsere Energieversorgung und die Entsorgung ihrer Hoffentlich ist mir das gelungen! Physiker, Universität Bonn
Rückstände. Von medienwirksam aufgebauschten Horrorszenarien, aber auch vom naiven Wunsch
nach einfachen Lösungen, sollten wir uns schleunigst trennen. Dazu soll dieses Buch beitragen,
indem es eine verständliche, spannende und vielseitige Wissensbasis aufbaut und mit vielen
Beispielen erläutert.
12 13
Von der Hexenküche
Urk nall bis in unsere Gegenwart
Vor ca. 13,7 Milliarden Jahren entsteht unser Universum
aus einer unvorstellbaren Zusammenballung höchster
Energie. Es dehnt sich aus – auch heute noch – und
kühlt sich ab. Dabei bildet sich aus der Energie stabile
Materie, es entstehen unter anderem die Sterne. Bis in
die Gegenwart hinein organisieren sich immer komple-
xere Strukturen, insbesondere die Formen des Lebens.
14 15
Vom Entstehen
unseres Die Weltraumsonden Voyager 1
Universums
und Voyager 2 fliegen seit 1977
E = mc² immer weiter von der Sonne
fort und erreichen bald den
Energie = Masse · Lichtgeschwindigkeit2 Rand unseres Sonnensystems.
Zu ihrer Energieversorgung
Die berühmteste Gleichung sind sie auf mitgenommene
1. Niemand weiß etwas über die Zeit vor dem der Relativitätstheorie postuliert, Batterien aus radioaktiven
Urknall und die anschließende allerheißeste dass Materie und Energie Elementen angewiesen, denn
erste Phase. Man kann nicht einmal intelligen- die Strahlung der Sonne wird
ineinander verwandelt werden mit zunehmender Entfernung
te Vermutungen anbieten. können. Aber leichte Atomkerne aus Neutronen und
zu schwach, um Solarzellen-Strom für
Protonen beginnen sich zu bilden.
(Einstein, 1905)
ihre Sender zu liefern.
Wir wissen aber mit großer Sicherheit, dass
am Anfang unserer Welt ein riesiges Startka- 4. Erst nach ca. 400 000 Jahren bilden sich Was-
pital von Energie stand. Von diesem Energie- serstoff- und Heliumatome aus Atomkernen
vorrat zehrt das gesamte Universum auch und Elektronen. Die allgemeine Temperatur
heute noch, denn Energie kann nicht erzeugt Energiespeicher. Umgekehrt kann Materie beträgt nur noch ca. 3000 Grad (3 · 103 K). Kelvingraden über dem absoluten Nullpunkt.
und nicht vernichtet werden, aber Energie unter gewissen Umständen auch zu Energie Viele Atomkerne können jetzt ihre Elektro- (Der absolute Temperaturnullpunkt beschreibt
kann in die verschiedensten Formen umge- zerstrahlen. Die ständige Umwandlung von nenhüllen festhalten und bilden damit stabile das Fehlen jeglicher Wärme und wird mit Null
wandelt werden. Einstein hat genial erkannt, Strahlungsenergie in unterschiedliche Mate- Atome. Kelvin („0 K“) bezeichnet. Null Kelvin entspre-
dass Energie auch in Materie umgewandelt rieformen steht am Anbeginn der Welt. chen –273,15 °C). Der Weltraum ist nunmehr
werden kann. Man braucht allerdings sehr 5. Heute, nach 13,7 Milliarden Jahren, hat sich fast überall sehr kalt – es herrscht eine Tem-
viel Energie, um daraus Materie herzustellen 2. Bereits nach ca. 1 Mikrosekunde (0,000001 s) die vom Urknall verbliebene Wärmestrahlung peratur von 2,7 K „im Schatten“. Allerdings
– in diesem Sinne ist Materie ein gigantischer entstehen stabile Bestandteile unserer abgekühlt auf –270,5 Grad Celsius, also 2,7 gibt es auch viele heiße Stellen im Universum,
heutigen Welt, nämlich Neutronen und etwa im Strahlungsbereich der Sterne und
Protonen. Die Temperatur beträgt dabei anderer kosmischer Energiequellen. Unsere
10 000 000 000 000 Grad (1013 K). angenehmen Umwelttemperaturen auf der
Energie Es gibt noch gewaltige
Erde und unser Leben verdanken wir einem
3. Nach 10 s ist es immer noch so heiß, dass heißen, strahlenden Stern „in unserer Nähe“:
ist einer der wichtigsten Begriffe der sich keine Atome bilden können: Die Tem- und überaus faszinierende unserer Sonne.
Naturwissenschaften, peratur beträgt 1 000 000 000 Grad (109 K). Herausforderungen für die
weil überall dort, wo moderne Astrophysik, denn es
scheinen sehr große Ener-
• etwas bewegt wird,
giemengen aus dem Anfangskapital des
• etwas wächst, verbrannt oder Urknalls zu fehlen. Außerdem scheint es Helium:
+
chemisch umgesetzt wird, im Weltraum riesige Materieansammlun- –
Kern: 2 Protonen (++) und
• etwas erwärmt oder gekühlt wird, gen zu geben, durch die das Licht ferner 2 Neutronen +
Sterne ohne Abschwächung hindurch Hülle: 2 Elektronen ( – – )
überall dort der Energieumsatz eine –
läuft. Das sind zwei große Rätsel für die
Schlüsselrolle spielt.
Wissenschaft. Du kannst Dir im Internet
unter den Suchbegriffen „Dunkle Energie“
und „Dunkle Materie“ einen ersten Über-
blick verschaffen.
+
Wasserstoff-Atom:
Kern: 1 Proton (+)
Hülle: 1 Elektron (–) –
16 17
Vom Urknall
Die Zeitskala des Universums ist astronomisch und deshalb nahezu unvorstellbar. Wir helfen
unserer Anschauung, wenn wir die 13,7 Milliarden Jahre vom Urknall bis zum heutigen Tag auf
ein einziges Kalenderjahr abbilden. Mit dem Urknall beginnt am 1. Januar Null Uhr Null Sekunden
bis Heute:
das hypothetische kosmische „Weltall-Jahr“. Wir, die modernen „Erdmenschen“, leben im Hier
und Heute. Dem soll ganz genau der Jahreswechsel am 31. Dezember entsprechen – und unsere
Zukunft beginnt damit exakt um 0 Uhr 0 Sekunden eines neuen kosmischen Weltall-Jahres.
Unser Zeitmaßstab sieht folgendermaßen aus:
„Weltall-Jahr“
„Weltall-Monat“
= 13,7 Milliarden
= mehr als 1 Milliarde
„normale“ Jahre
„normale“ Jahre
Das „Weltall-Jahr“
„Weltall-Tag“ = 38 Millionen „normale“ Jahre
„Weltall-Stunde“ = 1,6 Millionen „normale“ Jahre
„Weltall-Minute“ = 26000 „normale“ Jahre
„Weltall-Sekunde“ = 434 „normale“ Jahre
unserer Zeitrechnung
Ein Menschenleben von etwa 80 Menschenjahren
dauert nur 0,2 Weltall-Sekunden
Die Erde bildet sich.
Ab 0 Uhr 15 Minuten
können die Kerne Elek- Bis Mitte September kühlt sich
tronen an sich binden, so die Erdoberfläche unter 100 Grad Auch im November spielt
dass Atome entstehen. ab und verfestigt sich langsam. sich das Leben nur in den
Meeren ab.
Jan. Feb. März April Mai Juni Juli August September Oktober November
Ab etwa dem 20. September (vor 3,9 Milliarden Jahren) leben die ersten Bakterien und später
Ab Mitte Januar bilden sich unter der Wirkung der Schwerkraft Sterne und Galaxien. auch Algen in den Meeren der Erde. Sauerstoff wird produziert und der CO2-Gehalt der Luft sinkt.
Sterne leuchten und erlöschen oder explodieren. Ausgebrannte Sonnen können dabei in
einer finalen Supernova-Implosion schwere Elemente (wie auch das Uran) erbrüten und ins
All schleudern. Ihre Materie wird von anderen Sternen eingesammelt und bildet zusammen
mit den Resten vom Urknall das Baumaterial neuer Sternsysteme.
1. Januar, 0 Uhr Erst Mitte August sammelt sich die Materie für
00 Sekunden: Urknall unser Sonnensystem. Viele chemische Elemente
Schon in der ersten stammen dabei aus den Resten von längst gestor-
Sekunde entstehen benen und explodierten alten Sternen. Der schwere
die Atomkerne von Zentralstern „Sonne“ ist am 31. August, also vor
Wasserstoff und 4,6 Milliarden Jahren, als „Protostern“ vollständig
Helium. und beginnt seine Kernreaktion. Bereits am
1. September brennt die Kernreaktion stabil –
unsere Sonne leuchtet nun fast so, wie wir sie
auch heute sehen.
18 Am 23. Dezember anhalten bis zum Mittag des 19
beginnt sich auch 31. Dezember. Diese
das Erdöl aus Energievorräte in Form von
abgestorbenen Kohle und Öl wird die
Meerestierchen und Menschheit zum Jahreswech-
Pflanzen zu bilden sel erschließen und fördern –
und zu sammeln. und dann mit rasantem
Der Prozess der Tempo verbrauchen!
Erdölbildung wird
Am 23. Dezember haben sich bereits
große Steinkohlelager aus dem Holz der
Wälder gebildet. Sie bilden den größten
fossilen Energievorrat der Erde.
Ab dem 17. Dezember „explodiert“ das Leben förmlich.
Innerhalb von 1 bis 2 Tagen entwickelt sich eine Fülle verschiedenster
Lebewesen. (Informiere Dich im Internet unter „Kambrische Explosion“.)
Erst ab dem 19. Dezember wird das Land besiedelt.
Zu Weihnachten gibt es die Fische, die Reptilien und große Wälder.
Erst in der Nacht des 30. Dezember tauchen
affenartige Tiere auf. Die Frühentwicklung der
Menschheit beginnt am späten Abend des
Dezember
31. Dezember, in der letzten Nacht des Jahres.
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 1. 2. 3.
Am 26. Dezember abends erscheinen die ersten Säugetiere auf den Kontinenten der Erde.
Vom 23. Dezember bis zum
Zukunft
30. Dezember ist es überwie- 2 Stunden vor Jahreswechsel bis heute: Viele
gend sehr warm auf der Erde. Eiszeiten und Warmzeiten wechseln sich ab. Es
te
Am 29. Dezember sind sogar kommt zu großen Vergletscherungen und Eisvorstö-
die Pole eisfrei und in Europa ßen, aber auch sehr warmen Zwischeneiszeiten.
Heu
herrscht ein tropisches Klima
mit Krokodilen im Rhein ...
23 Sekunden vor Mitternacht:
Nach dem Ende der letzten Eiszeit wird das Klima
wieder angenehm warm – die Gletscher ziehen sich
26. Dezember: aus Europa, Asien und Nordamerika zurück.
Atlantik und Tethys-
Ozean entstehen:
Europa, Amerika und Erst in der späten Silvester-
Afrika werden getrennt. nacht, nämlich 10 Sekunden
vor Mitternacht, werden die
ägyptischen Pyramiden gebaut,
hr
5 Sekunden vor Jahreswechsel
ja
Die Saurier leben vom wird Jesus Christus geboren.
25. Dezember bis zum
eu
30. Dezember um 7 Uhr
morgens – dann sterben sie
N
plötzlich aus. Eine Katastrophe
tötet 50% aller Tierarten.20 21
Wie lange Wer denkt schon an ein brodelndes Inferno, wenn
er an einem schönen Sommertag die Wärme und
Beim „Wasserstoffbrennen“ werden in jeder Se-
kunde ca. 564 Millionen Tonnen Wasserstoff zu ca.
leuchtet die
das Licht der Sonne genießt? Der Sonne verdanken 560 Millionen Tonnen Helium „verschmolzen“. Der
wir fast alles – unser Zentralstern ist die entschei- Unterschied in der Masse, ca. 4 Millionen Tonnen,
dende Energiequelle für das Leben auf der Erde. wird nach der Einsteinformel E = mc2 als Energie
Sonne noch
Außerdem hält die Sonne mit ihrer großen Masse frei und wird abgestrahlt. Diese Kernfusionsreaktion
und Anziehungskraft das Planetensystem zusam- der Sonne liefert in jeder Sekunde die unvorstellba-
men. re Energiemenge von 4 · 1026 Joule. Wenn wir zum
für uns?
Vergleich den gesamten Energiewert aller fossilen
Für die Erde ergab sich eine besonders günsti- Energieträger, also Kohle, Öl und Erdgas, addieren,
ge Bahn – nicht zu nahe (und damit zu heiß) und den die Erde im Laufe von Jahrmillionen angesam-
auch nicht zu weit entfernt (und damit zu kalt) für melt hat, so beträgt die Summe des Energiegehaltes
jegliches Leben. Seit etwa 4,5 Milliarden Jahren ist all dieser Bodenschätze auf unserer Erde geschätzt
die Sonne in einer sehr ruhigen und stabilen Phase etwa 4 · 1022 Joule. In der Sonne wird also in jeder
– nur deshalb konnte sich das Leben auf der Erde Sekunde 10 000 mal mehr Energie freigesetzt als
relativ ungestört entwickeln. Die Sonne „verbrennt“ der gesamte angesammelte Energievorrat auf der
Wir erinnern uns: 80 Jahre, ein Menschenleben, dauern nur 0,2 Sekunden in dabei ihren großen Vorrat an Wasserstoff in einer Erde ausmacht.
unserem Weltall-Kalender – und was geschieht alles in dieser Zeit? Wieviel von
Kernreaktion zu Helium.
der Kohle und von dem Erdölvorrat, den die Erde für uns angelegt hat, wird jetzt in
gewaltigen Massen der Erde entnommen und verbraucht?
Der riesige Erdölvorrat der Erde hält nur noch wenige Zehntel Sekunden, dann ist
das wertvolle Öl mit Sicherheit verbraucht – verbrannt und weg. Und auch die Kohle
wird nur sekundenlang reichen, dann wird auch sie vollständig verbrannt sein, so
groß ist der Energiehunger der Menschheit inzwischen geworden!
Januar Februar März April Mai Juni Juli
Zukunft
Am 24. Januar wird Ab Mitte Februar
es auf der Erde zu kochen die Ozeane,
heiß zum Leben. denn die mittlere
Temperatur auf
der Erde erreicht Mitte Juni hat sich die Sonne so weit
allmählich 100 °C. aufgebläht, dass Merkur und Venus
bereits von ihr verschlungen sind.
Dabei gibt uns die Sonne noch Die Erde ist nun glutflüssig von der
eine Menge Zeit – sie will uns noch Sonnenhitze, bevor auch sie im Juli
mindestens bis Mitte Januar des von der rotglühenden Sonne („Roter
neuen Jahres mit gleichmäßiger Riese“) verschluckt wird.
Wärme versorgen. Danach steigt
die Leuchtkraft der Sonne stetig
an. Die Sonne bläht sich ganz
langsam auf.22 23
Dein Check!
1. Diese Aufgabe ist besonders anspruchsvoll: Bitte versuche mit Hilfe einer Internetrecher- – Vor 5000 Jahren: Die ägyptischen König- 3. Noch weitere 100 – 200 Jahre könnte das
Wir wissen, dass unser Universum im Urknall che, zum Beispiel in der Wikipedia, herauszu- reiche bilden eine Hochkultur mit vielfälti- Erdöl reichen, bis dann wirklich alles ver-
mit einer riesigen Energiedichte gestartet ist. finden, gen Handwerken und Künsten. In Europa brannt ist. Dabei werden die Förderkosten
Dennoch bilden sich zuerst nur leichte Ato- a) welche Prozesse im Weltall zur Entstehung dagegen herrscht „Steinzeit“. allerdings ständig steigen. Bitte vergleiche
me, vor allem Wasserstoff (H) und ein wenig der schweren Elemente bis zum Eisen (Fe) – Vor 2000 Jahren: Blüte des Römischen den Zeitraum der Bildung des Öls mit dem
Helium (He). Aus dem Diagramm „Weltall- geführt haben und Reiches, Geburt und Leben Christi. Zeitraum des Verbrauches.
Jahr“ auf Seite 16 – 19 kann man entnehmen, b) welche Prozesse im Weltall schließlich zur – Vor etwa 200 Jahren: Kohle wird zuneh-
Jahre der Bildung insgesamt:
dass sich die Erde vor etwa 4,6 Milliarden Entstehung der sehr schweren Elemente mend gefördert und verbrannt, Dampfma-
Jahren („Mitte September“) aus im Weltall bis zum Uran (U) geführt haben. schinen aller Art werden entwickelt.
bereits vorhandener Materie gebildet hat. – Vor etwa 100 Jahren: Erdöl wird gefördert, Jahre des Verbrauchs
Wenn wir nun aber unsere heutige Erde unter- 2. Auf dem „Weltall-Kalender“ auf dieser Seite das Ölzeitalter beginnt, Autos und Flug- durch Verbrennen:
suchen, so finden wir eine große Fülle von sind die letzten Tage vor Neujahr („heute“) zeuge werden entwickelt.
chemischen Elementen. Darunter sind auch in besonders hervorgehoben. Die heutige Stein-
reichem Maße die entscheidenden Elemente kohle entstand vor 350 Millionen Jahren.
für die Bildung lebendiger Strukturen: Dem entsprechen 9 Tage vor Neujahr, also
der 23. Dezember.
CHON Bitte berechne und markiere auf dem Kalen- Die letzten Zehntelsekunden vor Neujahr
C – Kohlenstoff der die folgenden Zeitpunkte: 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
H – Wasserstoff – Vor 300 Millionen bis 20 Millionen Jahren:
O – Sauerstoff Erdöl entsteht.
N – Stickstoff – Vor 20 Millionen Jahren: Braunkohle ent-
Insgesamt sind sogar alle nur denkbaren steht.
Die letzten Sekunden vor Neujahr
stabilen chemischen Elemente auf unserer – Vor 5 Millionen Jahren: Erste Frühmen-
Erde zu finden. Auch das ist ein großartiger schen in Afrika.
Glücksfall! – Vor 200 000 bis 20 000 Jahren: Die klugen
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
und starken Neandertaler bevölkern unsere
Region.
Die Minuten vor Neujahr
Berechne in „Sekunden und Zehntelsekunden
In der Skala ist die gesamte Ent- vor Mitternacht“ diese Zeiten:
wicklungsgeschichte des Univer- – Seit 20 000 Jahren: Der „Jetztmensch“ 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
sums, also 13,7 Milliarden Jahre, besiedelt die Erde.
veranschaulicht und auf ein einziges – Vor 10 000 Jahren: Eine furchtbare Vulkan-
Die Stunden vor Neujahr
Kalenderjahr „projiziert“. explosion reißt ein riesiges Loch in die Eifel
– der See „Maria Laach“ entsteht. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Die Skala beträgt demnach – Vor 9000 Jahren: Die Gletscher haben sich
13 700 000 000 : 1. aus Europa zurückgezogen, das Klima wird
Daraus folgt: milder.
• 38 000 000 Jahre werden zu Tage vor Neujahr
1 Tag verkürzt und
• 434 Jahre werden zu 1 Sekunde. 23. Dez. 24. Dez. 25. Dez. 26. Dez. 27. Dez. 28. Dez. 29. Dez. 30. Dez. 31. Dez.
Bildung der Steinkohlenlager Die Erde entsteht im September
Das „Weltall-Jahr“: 365 Tage = 13 700 000 000 Jahre
23.
Januar Februar März April Mai Juni Juli August September Oktober November DezemberEnergieformen
24 25
A
Energie systeme Q
Z
F
G
C P
F
F
B L S
M
D O
O
E W
H Netzzentrale
O X
J
V
O N O
I T
J
U
Y
K26 27
Energieformen
Energiesysteme In Kernkraftwerken wird bei der Windgeneratoren verwandeln die
10 15
Dein Check!
Kernspaltungsreaktion von Uran Bewegungsenergie des Windes
sehr viel Wärmeenergie frei. Wie im („kinetische Energie“) in elektrische
Kohlekraftwerk erzeugt man damit Dampf unter Energie, die in das Stromnetz eingespeist wird.
hohem Druck, also mechanische Energie. Damit Windenergie steht nur ungleichmäßig zur Verfü-
Bitte ordne diese Erläuterungen den entsprechenden Buchstaben
wird ein Generator angetrieben, der elektri- gung und bedingt sehr hohe Leistungsreserven
aus dem Bild S. 24 – 25 zu:
sche Energie („Strom“) erzeugt. Kernenergie ist der anderen Kraftwerke, die die großen Schwan-
(neben der Energie der Meeresgezeiten und der kungen der Windstromerzeugung ausgleichen
Wärme aus dem Erdinneren) die einzige Form müssen (S. 142).
von menschlicher Energienutzung, die nicht
Im Inneren der Sonne wird durch In den Muskeln setzen wir chemi- letztendlich auf dem ständigen Energiefluss von Die Sonne bewirkt durch die Wär-
1 Kernfusion (Wasserstoffkerne
verschmelzen zu Heliumkernen)
5 sche Energie in mechanische Ener-
gie um. Der Wirkungsgrad beträgt
der Sonne zur Erde beruht (S. 139). 16 meeinstrahlung das Verdunsten
von Wasser.
Kernenergie in Wärme und Strahlung umgesetzt. dabei ca. 20%, d. h. nur rund 20% der chemi- Alle Wärmekraftwerke erzeugen
schen Energie kann in Muskelarbeit umgewan- 11 viel Abwärme, denn Wärmeenergie In der Höhe kondensiert der (un-
Wir erhalten von der Sonne Strah- delt werden. 80% der chemischen Energie wird (niederwertig) kann man immer nur 17 sichtbare) Wasserdampf zu (sicht-
2 lungsenergie in Form von inten-
siver Licht- und Wärmestrahlung.
in Wärme verwandelt – wenn wir arbeiten oder
Sport treiben, wird uns zwangsläufig warm.
zu einem Bruchteil (typisch bis zu 40%) in hoch-
wertige elektrische Energie umwandeln. Diese
baren) Tropfen in Form von Wolken.
Wolken enthalten sehr viel gespeicherte Energie
(Genau wie die Radio-, Fernseh- und Funkwellen Abwärme muss bei möglichst niedriger Tempe- in Form von hoch gehobenen großen Mengen
bestehen auch Röntgenstrahlung, ultraviolette Im Feuer wird chemische Energie ratur abgeführt werden, um den Wirkungsgrad von Wasser („potenzielle Energie“).
Strahlung, sichtbares Licht und Wärmestrah-
lung aus elektromagnetischen Wellen, die sich
6 in Wärmeenergie verwandelt. Die
Verbrennung von Holz und vor
der Umwandlung von Wärmeenergie in elek-
trische Energie zu optimieren. Dazu dienen die Es gibt einen zweiten, noch
bekanntlich auch in der Leere des Weltraums
ausbreiten können.)
allem von Kohle und Kraftstoffen (Ölprodukten)
ist zur Zeit der wichtigste Energieumsatz der
großen Kühltürme. 18 wichtigeren Effekt: Wenn Wasser
verdunstet (verdampft), muss dafür
Menschheit. Elektrische Energie (Strom) lässt Energie aufgebracht werden (Deshalb kühlt
Pflanzen erzeugen mit Hilfe 12 sich mit Hilfe von Hochspannungs- der verdunstende feuchte Schweiß den Körper
3 von Licht, Wärme und einigen Im Holz ist chemische Energie (in leitungen oder Kabeln relativ gut besonders gut). Wenn Wasserdampf wieder zu
chemischen Elementen (vor allem
C, H, O, N) unsere Lebensmittel. In Lebens-
7 Form von Zellulose, für Menschen
unverdaulich) gespeichert. Bäume
transportieren. Das Stromnetz verbindet alle
Länder Europas und transportiert große Energie-
Tropfen kondensiert, wird genau diese „Ver-
dampfungsenergie“ als „Kondensationswärme“
mitteln ist chemische Energie in einer für den leisten mit ihrem Stoffwechsel enorm viel für die mengen. wieder frei. In feucht-heißer, mit Wasserdampf
Organismus verwertbaren Form gespeichert. Umwelt. Mehr dazu auf den Seiten 38 – 40. gesättigter Atmosphäre ist deshalb extrem viel
Die Überwachung, der Betrieb und Energie gespeichert, die bei Gewittern zu hoch
Wir atmen Luftsauerstoff und Kohle wird als Primärenergieträger 13 die Pflege des Stromnetzes ist aufschießenden Wolkentürmen und stürmischer
4 „verbrennen“ im Stoffwech-
sel unsere Nahrungsmittel, um
8 bezeichnet. Die Kohlevorkommen
sind der größte Vorrat der Mensch-
genau so wichtig wie der Betrieb
der Kraftwerke. Weil man die elektrische Energie
Luft führt. Wenn im Sommer starke Sonnenein-
strahlung die Luft über warmem Meerwasser
unseren Körper mit Wärme und mit Energie heit an gespeicherter chemischer Energie. nicht effektiv speichern kann, muss die Leis- großräumig mit riesigen Wasserdampfmengen
für die Muskelarbeit zu versorgen. Neben dem tung der Kraftwerke sorgfältig geregelt und dem sättigt und damit zu einem gigantischen und
Herzmuskel ist auch die Gehirntätigkeit auf eine In Kohlekraftwerken entsteht Ver- jeweiligen momentanen Verbrauch angeglichen gefährlichen Energiespeicher macht, kann sich
ständige, ununterbrochene Zufuhr chemischer
Energie angewiesen. Unser Körper hat vielfältige
9 brennungswärme, mit deren Hilfe
man Wasserdampf unter hohem
werden. dieser Energievorrat in Form der verheerenden
„Hurricanes“ entladen (S. 80).
Brennstoffreserven zur Verfügung, jedoch keine Druck, also mechanische Energie, erzeugt. Da- Die Sonne bewirkt durch Erwär-
Sauerstoffreserven (S. 29, 40). mit wird ein Generator angetrieben, der mecha-
nische Energie in elektrische Energie („Strom“)
14 mung das Auf- und Absteigen von
Luftmassen. An der Erdoberfläche
verwandelt (S. 61, 62). entstehen dadurch die Winde (kinetische Energie
der Luftmassen).28 29
Unsere Energiebilanz
19
Stauseen und Staustufen in
Flüssen bieten die Möglichkeit,
die potenzielle Energie der Nieder-
23
Unsere Fahrzeuge benötigen sehr
viel Ölprodukte in Form von Benzin
und Diesel. An der Wärmeabgabe
im Alltag
schläge nutzbar zu machen. In Wasserkraftwer- des Wasserkühlers und der Auspuffgase erkennt
ken wird die kinetische Energie des schnell aus man, dass auch im Automotor die Wärmeener- Energie leistet unersetzliche Dienste und geht
dem Reservoir ausströmenden Wassers über gie nur zu einem geringen Teil in mechanische dabei nicht verloren – aber ihr Wert wird bei jeder
die Drehung der Turbine („Rotationsenergie“) Energie verwandelt werden kann. Typischerwei- Umwandlung geringer und schließlich bleibt viel
zum Antrieb eines Generators und damit zur se gehen über 55% der chemischen Energie des
Stromerzeugung genutzt. Dabei wird hochwer- Kraftstoffes als Abwärme verloren. An Alterna-
wertlose Abwärme übrig.
tige mechanische Energie direkt in elektrische tiven zu den derzeitigen Verbrennungsmotoren
Energie verwandelt. Der Wirkungsgrad beträgt wird geforscht und entwickelt.
über 90 % (S. 122).
Der Fernverkehr der Eisenbahnen
Erdöl und Erdgas bilden zur Zeit 24 wird heute weitgehend mit Hilfe der
20 die weltweit wichtigsten Primär-
energieträger (= direkt verfügbare
elektrischen Energie betrieben. Die
ökologische Bilanz des Bahnverkehrs hängt da-
chemische Energie), weil sie besonders vielseitig mit ganz entscheidend vom Prozess der Strom-
zu verwenden und dazu in Tankern und Pipelines erzeugung ab – ein Land mit viel „Wasserkraft“
relativ bequem und kostengünstig zu transpor- wie die Schweiz ist dabei besonders im Vorteil.
tieren sind. sich übrigens immer im jeweiligen Preis
Das Leben in einer modernen niederschlägt. Auch weil für 1 kJ Energie
Flugzeuge werden ausschließlich 25 Stadt ist ohne gesicherte Strom- aus Fleisch oft mehr als die zehnfache Ener-
21 mit flüssigen Treibstoffen (Öl-
produkten) betrieben. Man sagt:
versorgung völlig undenkbar. Die
wichtigsten Kategorien sind: Beleuchtung,
gie in Form von Futtergetreide eingesetzt wer-
den muss, ist Fleisch so teuer. Dennoch müssen
„Unsere letzten Tropfen Öl werden wir wohl für Informationsübermittlung, Elektronik, Regeln und Vor allem brauchen wir Energie zum Leben wir in Deutschland im Mittel nur 10% unseres
die Flugzeuge reservieren müssen.“ Steuern, Lüften, Heizen und Kühlen, Transport – deshalb essen wir täglich unseren „Brennstoff“ Einkommens für Nahrungsmittel ausgeben – so
(U-Bahn, Straßenbahn, Liftanlagen), Betrieb der und müssen zu seiner Verwertung beständig reich ist unser Land!
Auch Schiffe werden heute – von Versorgungsnetze (auch Wasser- und Abwas- Sauerstoff atmen. Wenige Minuten ohne Sauer-
22 wenigen atomgetriebenen Groß-
schiffen und den Segelschiffen
serleitungen benötigen elektrische Pumpen) und
schließlich der Betrieb aller Fabriken und Werke.
stoff und damit ohne Energiezufuhr durch den
Stoffwechsel – und unser Gehirn stirbt.
Erst in zweiter Linie brauchen wir Energie,
um angenehm leben zu können – für unsere
abgesehen – von flüssigen Treibstoffen aus Öl In einer überlasteten Region wie Shanghai Häuser, die wir heizen, kühlen und beleuchten,
angetrieben. Früher waren viele kohlebetriebene dürfen Fabriken manchmal nur nachts arbeiten, Unser persönlicher Energiebedarf in Form von und unsere Fahrzeuge, Maschinen und Compu-
„Dampfer“ auf den Ozeanen unterwegs. wenn tagsüber die Stromversorgung nicht mehr Lebensmitteln ist unabdingbar, aber nicht be- ter, die wir mit großem Energieaufwand herstel-
ausreicht. Wenn in einer Stadt der Strom ganz sonders hoch. Er ergibt sich aus dem Stoffwech- len und betreiben.
ausfällt („BLACKOUT“), wird es sehr kritisch sel-Grundumsatz von überschlägig 100 W. Das
(S. 65). entspricht dem Energiebedarf (Leistung) einer Den privaten Luxus kann man an der Strom-
hellen Glühbirne. An jedem Tag macht das die rechnung ablesen, denn sie zeigt den Jahres-
Energiemenge von 2,4 kWh aus (100 W · 24 h = bedarf an elektrischer Energie: Typisch sind
2400 Wh), und pro Jahr ergeben sich großzügig 2000 kWh pro Jahr und Person. Dafür müssen
aufgerundet 1000 kWh. im Kohlekraftwerk ca. 5000 kWh Wärmeenergie
eingesetzt werden, weil dort unvermeidliche
Die Wärme und das Licht der Sonne, die die Umwandlungsverluste und Abwärme entstehen.
Pflanzen wachsen lässt, sind noch gratis, aber Ein dicker Batzen Energie wird für das Beheizen
Lösung: die landwirtschaftliche Arbeit, der oft teure des Hauses benötigt: Typisch sind ca. 1000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Transport (z.T. als Luftfracht) und die Zuberei- Liter Heizöl pro Jahr und Person, das sind dann
tung dieser Lebensmittel brauchen natürlich 10 000 kWh. Und wenn ca. 20 000 km im Jahr
G F C A B D E H I K J O N M L P Q Z S U V W X T Y
zusätzlich sehr erhebliche Energiemengen, was mit dem PKW gefahren werden, dann braucht30 31
das bei 8 Litern pro 100 km immerhin 1600 Liter Benzin
Die globale Perspektive
mit dem Energiewert von 15 000 kWh.
Das Diagramm dokumentiert die ungleichen Lebensbedingungen der 6,6 Milliar-
Allein diese drei Posten, Strom, Heizung und Autosprit, den Menschen von heute. Erkennst Du das Konfliktpotenzial? Wie wird die Welt-
summieren sich bei einem 3-Personen-Haushalt auf
Es ist eine außerordentlich wichtige, energiesituation der vielleicht 9 Milliarden Menschen im Jahr 2050 aussehen?
20 000 kWh pro Person, in diesem Beispiel aufgeteilt in
aber sehr schwierige technische und
Kohle, Öl und Benzin. Hier kann jeder von uns ansetzen, gesellschaftliche Herausforderung,
um mit Energie sparsam umzugehen und damit direkt die wirtschaftliche Entwicklung eines 1. Vergleiche anhand des Diagramms den als verdoppeln. Der mittlere Welt-PEB beträgt
die Haushaltskasse zu entlasten. Immerhin beträgt die Landes voranzutreiben und gleichzeitig Pro-Kopf-Primärenergiebedarf (PEB pro zur Zeit etwa 2,2 kW (als Mittelwert über alle
gemeinsame Energierechnung einer dreiköpfigen Familie den primären Energiebedarf zu begrenz- Kopf in kW) verschiedener Länder mit der 6,6 Milliarden Menschen, arme und reiche).
ca. 5200 Euro im Jahr und setzt sich zusammen aus en oder gar zu senken. Für die reichen wirtschaftlichen Leistungsfähigkeit (Bruttoin- Wir sehen in diesem Diagramm eine Verknüp-
1200 Euro für Strom, 2000 Euro für Heizung und 2000 Industrieländer ergeben sich dabei landsprodukt, BIP). Die Zahlen des BIP sind fung von Wohlstand und PEB und müssen
Euro für Autosprit. durchaus Möglichkeiten und Sparpoten- ebenfalls pro Kopf und in Tausend Euro pro akzeptieren, dass die Entwicklungsländer
ziale, die allerdings oft einen erheblichen Jahr (kaufkraftbereinigt). Über 5 Milliarden mit Macht in den Bereich eines höheren PEB
Dazu kommt der Energiebedarf für LKW, Busse, Bahnen Kapitalbedarf erfordern. Dagegen ist Menschen „leben“ in der gelb markierten drängen – und das kann zur Zeit nur über-
und Flugzeuge, der Bedarf für Heizung und Beleuchtung die Situation vieler Milliarden Menschen unteren linken Ecke des Diagramms. Für fast wiegend auf der Basis fossiler Energieträger
von öffentlichen Gebäuden, für Fabriken und Maschinen in den Entwicklungsländern keinesfalls alle von ihnen wäre ein Lebensstandard wie erfolgen. Welche Konsequenzen muss das für
ohne deutlich steigenden Einsatz von
– eine Kette fast ohne Ende, die in der Summe noch derjenige der Europäer (PEB: 4,4 kW/Kopf) die CO2-Emissionen haben? (Die Zahlen im
Primärenergie auf ein modernen Stan-
mehr als der private Verbrauch ausmacht. Deshalb höchst erstrebenswert. Wenn sie sich heute Diagramm sind umgerechnet aus verschiede-
dards entsprechendes Niveau anzuhe-
schaut man sich am einfachsten den Gesamtbedarf an ben. Die chinesische Wirtschaft wächst diesen Wunsch erfüllen könnten, würde sich nen Quellen und geben ungefähr die Situation
Primärenergie eines Landes an und erhält für Deutsch- so rasant, dass der Energiebedarf des der Weltenergieumsatz schlagartig weit mehr im Jahr 2004 wieder.)
land etwa 48 000 kWh pro Person und Jahr. Dem Landes alle 2 – 3 Jahre um den Betrag
entsprechen rund 5000 Liter Öl oder 6000 kg Kohle pro des gesamten deutschen Energie- 2. Berechne den Deutschland: 5,5 kW mal 82 Mio Menschen = GW
Kopf und Jahr. Der überwiegende Teil der Menschheit bedarfs zunimmt. Mehr dazu auf der Gesamt-PEB dieser
beneidet uns um diesen Wohlstand und erstrebt mit aller nächsten Seite. Solche Aspekte sind
Länder in Gigawatt:
für die realistische und quantitative Ab- China: 1,1 kW mal 1350 Mio Menschen = GW
Kraft eine ähnliche Situation. Noch müssen ganze Völker
in Entwicklungsländern mit ca. 2% dieser Energiemenge schätzung des zukünftigen Weltenergie-
bedarfs von entscheidender Bedeutung Indien: 0,4 kW mal 1000 Mio Menschen = GW
auskommen – soviel Holz wird benötigt, um die tägliche
Mahlzeit zu kochen und etwas Wärme zu bekommen. und relativieren die oft zu emotionalen
Vergleiche das PEB-Wachstum in China (> +10% pro Jahr) mit dem deutschen PEB.
Dabei ist oft nicht einmal ein Herd vorhanden – statt lokalen Diskussionen über die Beiträge
zur Rettung des Weltklimas.
dessen eine ineffiziente offene Feuerstelle mit über 90% 13
PEB/Kopf in kW
„Abgasverlusten“. Obendrein braucht es in Dürreregio- Norwegen
Unumstößlich bleibt die Tatsache, 12
nen oft viele Stunden, um die täglichen 500 g Brennholz dass konsequent energiesparendes 11 Kanada
zu sammeln oder auf einem Markt zu kaufen. So leben Verhalten mit entsprechenden Inves-
diese Menschen heute mit derselben Energieversorgung titionen die Vorräte, unser privates 10 USA
wie schon unsere Vorfahren vor Urzeiten, die ihren Portemonnaie und das nationale Budget 9
„Minimal-Energiebedarf“ ebenfalls mit Holz gedeckt für Energieimporte schont und dass
8
haben. Entwicklungs- und Forschungsarbeiten Australien
zu Energietechnologien die langfristige 7
internationale Wettbewerbsfähigkeit 6
Check unserer Wirtschaft stärken, denn En- Deutschland
5
ergie wird mit Sicherheit immer teurer
werden, und: Wir müssen heute die 4 Europa
Informiere Dich im Internet über die Bauformen, umweltschonenden und sparsamen Mittelwert für
die Funktionsweise und die große Bedeutung von 3 die ganze Welt
Energietechniken entwickeln, die
Solarkochern für Entwicklungsländer. Diskutiere die ganze Welt in Zukunft dringend 2 China
die Aspekte „Effektive Entwicklungshilfe“ und brauchen wird. 1 Indien Mittelamerika
„Umweltschutz“. Afrika BIP/Kopf in 1000 €
0 (kaufkraftbereinigt)
0 10 20 3032 33
Die Natur schenkt uns alles –
Die Eisernen Regeln
im Alltag
freigiebig und kostenlos
Von nichts
kommt
nichts!
mit sehr billigen Rohstoffen und sehr viel Energie erzeugt Der Erste Hauptsatz
wird. Aber auch die Betriebskosten der Gärtnereien (Ge- Energie kann nicht erzeugt werden und geht nicht verloren.
wächshausheizung), Landwirte (Maschinen und Kunst-
dünger), der Fischerboote, Buslinien, Speditionen und Man kann keine Maschine bauen und sich keinen Vorgang in der Natur vor-
der Fluglinien hängen entscheidend vom Energiepreis ab. stellen, der ohne äußere Antriebskraft oder ohne Treibstoff läuft. Mit anderen
Worten: Ein Perpetuum Mobile ist unmöglich. (Zum Perpetuum Mobile findest Du
Dein
Wenn man den mittleren Energiekostenanteil in den Informationen im Internet)
Produktkosten abschätzen will, kann man die allgemeine Der erste Hauptsatz ist relativ leicht zu verstehen und könnte Anlass zur
Es ist klar, dass wir für Sonnenschein, Wind
Produktivität (Bruttoinlandsprodukt, BIP) und den Primär-
energiebedarf (PEB) heranziehen:
Hoffnung geben, dass es keine „Energieknappheit“ geben wird, weil ja Energie
nicht verloren geht.
Check!
und Regen nichts bezahlen ...
Leider gilt jedoch auch die zweite Eiserne Regel: Informiere Dich im Internet
BIP = 24 000 Euro pro Person und Jahr in Deutschland
(u. a. in der Wikipedia) über
Ist Dir auch klar, dass selbst Öl, Kohle, Gold PEB = 48 000 kWh pro Person und Jahr in Deutschland
die unterschiedlichen For-
und Diamanten, und all die anderen Boden-
mulierungen der Hauptsät-
schätze von den Menschen ganz ohne Bezah- Damit entfallen auf jeden „verdienten oder ausgege-
ze der Wärmelehre.
lung der Erde entnommen werden? benen Euro“ zwei kWh Energie. Man kann deshalb pro
Euro Warenwert durchschnittlich mit ca. 20 – 40 Cent Von selbst wächst
Wieso sind dann die Primärenergieträger, Energiekostenanteil rechnen. Auch daran sieht man die nur die Unordnung!
die Erze, Edelsteine und Metalle so teuer? Bedeutung der Energiepreise für die Lebenshaltung. Eine
Der Zweite Hauptsatz
Erstens kostet es Arbeit und Energie, die Roh- sichere Versorgung mit preiswerter Energie ist deshalb für
stoffe zu finden, zu erschließen und zu fördern, die wirtschaftliche Lage eines Landes entscheidend.
und zweitens wollen die Besitzer der Ölfelder Alle Energieumwandlungen laufen so ab, dass mindestens ein Teil der
und Bergwerke „ihre“ Schätze nicht so freigie- wertvollen Energie in relativ wertlose „unordentliche“ Energieformen
big verschenken wie die Erde es tut.
Check (beispielsweise nutzlose und lästige Abwärme) umgewandelt wird.
So steckt etwa im Preis einer Tonne Kohle Wie schwierig es ist, eine faire Gesamt-Energie- Wertvolle, teure Energieträger wie Nahrungsmittel, Benzin oder elektrische Energie werden eingesetzt – und
wiederum ein Kostenanteil für den Strom- und ersparnis für den privaten Sektor zu berechnen, immer entsteht zum Teil Wärme, oft in Form sehr lästiger Abwärme, die aufwändig abgeführt werden muss
Energiebedarf des Bergwerkbetriebes – und in kannst Du bei folgendem Planspiel erahnen: Wenn und die auch noch die Umwelt nutzlos erwärmt.
den Anschaffungskosten der Maschinen steckt Deine Familie durch konsequente Energiesparmaß- Beispiel Verkehr: Beim Verbrennungsmotor verschwindet zwangsläufig ein großer Teil der eingesetzten
auch ein Energieanteil, der bereits bei Herstel- nahmen, besonders bei Strom, Heizung und Auto, Energie durch den Auspuff in die Umwelt – und ist damit „entwertet“.
lung und Transport angefallen ist. Schließlich einen netten Betrag zusätzlich frei verfügbar in der
müssen alle Bergarbeiter von ihrem Lohnanteil Haushaltskasse hat – wofür wollt Ihr das ersparte Beispiel Kühlschrank: Es wäre wundervoll, wenn man im Sommer die Getränke kühlen könnte (wobei man
am Kohlepreis auch ihre privaten Energiekosten Geld dann ausgegeben? Betrachte dabei den jewei- ihnen ja Wärmeenergie entzieht), um dann mit dieser entzogenen Energie direkt einen Motor zu betreiben.
begleichen – offensichtlich eine Spirale ohne ligen zusätzlichen Energieaufwand für eine schöne Aber es läuft leider anders herum: Ein Kühlschrank muss wertvolle elektrische Energie einsetzen, um die
Ende. Urlaubsreise mit dem Auto oder Flugzeug, für Ski- Wärmeenergie aus seinem Inneren nach außen (auf eine höhere Temperatur) zu pumpen. Dabei wird die
fahren mit Seilbahnen und Liften auf Kunstschnee- Umgebung um die Summe von eingesetzter elektrischer Energie plus der dem Kühlgut entzogenen Wärme
Tatsächlich ist in allen Lebenshaltungs- und pisten, für einen Zweitwagen, etc … Wegen unseres erwärmt. Im Sommer tragen der Verkehr und die Klimaanlagen zwangsläufig zur unerträglichen Hitze in man-
Investitionskosten ein Energiekostenanteil generellen Lebensstandards ergibt sich dabei leider chen Großstädten bei.
enthalten. Manche Güter müssen besonders oft nur eine Verschiebung unserer Ausgaben zu wie- In einer anderen Formulierung beschreibt der zweite Hauptsatz die Zunahme von Unordnung bei allen
energieintensiv produziert werden, etwa Me- derum energieintensiven Freizeitaktivitäten. freiwillig ablaufenden Vorgängen – man spricht dabei von der Zunahme der Entropie. Mehr über
talle, wie das Aluminium, oder der Zement, der diesen wichtigen Begriff findest Du auf den Seiten 35 und 66.34 35
Konzentration
Kleinlebewesen, die zu hochkonzentrierten Nun sind alle lebendigen Strukturen, vom
Die Öl- und Erdgaslagerstätten geworden sind. Je
weniger konzentriert solche Lagerstätten sind,
Bakterium bis zum Menschen, komplizierte
und geordnete Formen – wie konnten sie sich
entscheidet desto teurer wird die Gewinnung. entwickeln und wie können sie sich die ständig
benötigte neue hochwertige Energie in Form
Um die Energie des Windes zu gewinnen, muss ihrer „Lebensmittel“ beschaffen?
man sehr großflächige Anlagen mit vielen hohen
Masten errichten, denn die Windenergie ist nicht Für das Leben auf der Erde gibt es ein geniales
Der Wert der Dinge hängt nicht allein davon ab, ob konzentriert und steht obendrein nicht gleich- Team – den Energiespender Sonne zusammen
mäßig zur Verfügung. Wenn man Strom direkt mit dem Stoffwechsel der Pflanzen. Ausschließ-
sie vorhanden sind, sondern vor allem davon, ob aus Sonnenlicht gewinnen will, muss man sehr lich die Photosynthese der Pflanzen erzeugt die
sie leicht verfügbar sind und auch in ausreichend große Flächen mit teuren Solarkollektoren bele- energiereichen chemischen Verbindungen, die
konzentrierter Form vorliegen. gen, denn auch die Lichtintensität ist technisch das Leben auf unserer Erde ermöglichen. Ohne
betrachtet nicht konzentriert und zudem extrem sie gäbe es auf unserem Planeten nur totes
schwankend zwischen Tag, Nacht, Wetter und Land und totes Wasser, Stürme und Wolken,
Jahreszeiten. Vulkane und Gletscher, Hitze oder Kälte – aber
kein Leben.
Was sind 150 Gramm Müsli wert? Wenn Deine Wesentlich günstiger ist die Situation im Fall von Obwohl Energie nicht erzeugt und nicht
Cornflakes auf dem Teller („konzentriert“) liegen, Uranerz: Zur Zeit werden nur Lagerstätten mit vernichtet werden kann, ist es dennoch das
sind sie eine wertvolle Mahlzeit. Wenn der Wind einer Ergiebigkeit von etwa 3 kg Uran pro 1 t Erz Schicksal der Nutzenergie, bei Gebrauch
Deine Flocken über den Schulhof geweht hat, abgebaut. Die Gewinnungskosten betragen da- immer weiter zerstreut und verteilt zu werden. Ein Vergleich: Im Internet befindet sich eine un-
bleibt der Nährwert der Cornflakes unverändert bei 30 – 100 Euro pro kg Uran, und allein diese Dabei verliert die Energie allmählich ihren geheure Menge an Informationen, aber nicht in
– aber weil es sehr viel Energie kostet, sie wieder Vorräte reichen sicher noch für 100 Jahre. Aber Wert, so dass am Ende eine Verwandlung geordneter, konzentrierter und leicht zugänglicher,
einzusammeln, ist ihr Nutzwert nur noch gering. auch Lagerstätten von bis zu 0,3 kg pro t Erz wertvoller Nutzenergie in nutzlose Wärmeen- hochwertiger Form, sondern über viele Websites
Vermutlich überlässt Du diese Flocken jetzt sind durchaus abbauwürdig, auch wenn sie zur ergie (Abwärme und Reibungswärme) erfolgt extrem verstreut. Natürlich sind unauffindbare
Informationen wertlos – genau wie weit verstreuter
besser den Vögeln. Zeit noch gar nicht in Betracht gezogen wer- ist.
Goldstaub. Deshalb ist eine Internet-Suchmaschine
den. Wird auch dieses reichlich vorhandene Erz wie Google so außerordentlich nützlich. Übrigens
Auch der Preis von Rohstoffen hängt entschei- abgebaut, so reichen unsere Vorräte nach Ein- In konzentrierter Form (elektrische Energie, sind die Erfinder von Google, L. Page und S. Brin,
dend von den Gewinnungskosten ab, denn schätzung der Geologen für viele hundert Jahre. Kraftstoffe, Lebensmittel) hat Energie einen mit ihrem „Informations-Entropieverminderer“ in
die gute Erde liefert uns alles gratis, ganz ohne Das ist realistisch, denn Gewinnungskosten von hohen Wert – in ungeordneter, zerstreuter wenigen Jahren „reich wie Ölscheichs“ geworden.
Bezahlung. So gibt es im Meerwasser gelöst 500 Euro pro kg entsprechen etwa 3 Cent/kWh Form (Erwärmung der Umwelt) dagegen ist
riesige Mengen wertvoller Metalle – jeder Kubik- Stromkostenanteil. Das Uran im Meerwasser ist sie wertlos. Die Verwandlung von wertvoller
meter Meerwasser enthält zum Beispiel 0,004 dabei noch gar nicht betrachtet. Allerdings ist in Energie in ungeordnete Formen kann man mit
mg Gold und 3,3 mg Uran. Allerdings kann man Japan, einem Land ohne eigene Energieträger, der „Entropie“ beschreiben. Bei jeder Umwand-
diese Schätze mit unseren heutigen Technolo- bereits ein biotechnologisches Verfahren zur lung von Energie nimmt der Entropieanteil (oft
gien noch nicht rentabel gewinnen, denn der Urangewinnung aus dem Meerwasser erfolg- in Form von „Abwärme“ oder „Unordnung“)
Energieaufwand für die Konzentration ist zu reich demonstriert worden. zu. Vorgänge, bei denen die Entropie zunimmt,
hoch. Wieviel Aufwand bereits im Goldbergbau laufen „wie von selbst“ ab. Aber der umgekehrte
getrieben wird, erkennst Du an den Zahlen für Die Kohlelagerstätten dagegen enthalten die Vorgang, bei dem die Unordnung wieder besei-
eine Goldgrube in Südafrika: Die Tiefe eines Energie oft in konzentrierter Form (Steinkohle) tigt wird, benötigt den Einsatz neuer Nutzener-
Schachtes beträgt bis zu 3900 m. 10 t Erz, also – oder sie sind etwas weniger konzentriert, aber gie. So könnte man denken, dass irgendwann
10 000 kg, enthalten nur 0,1 kg Gold. Um 100 g im Tagebau leicht zu erschließen (Braunkohle). alle Nutzenergie aufgebraucht ist und die Welt in
Gold (mit einem Marktwert von ca. 1500 Euro) Diese „konzentrierten Energieträger“ sind ein Wärme und Chaos versinkt.
zu fördern und abzutrennen, muss neben der unglaublich wertvolles Geschenk der Natur. Die
mühseligen menschlichen Arbeit auch sehr viel „Synthesefabriken“ der Pflanzen haben im Laufe
elektrische Energie eingesetzt werden: ca. 2000 der Jahrmillionen dieses Wunder an Energie-
kWh, die etwa 200 Euro kosten. konzentration vollbracht. Ähnliches gilt für dieSie können auch lesen
