Die Ursprünge der Energie auf der Erde

Anstatt das gesamte Universum zu betrachten, konzentrieren wir uns nun auf die Erde. Wir ziehen also eine neue Systemgrenze und zwar diesmal nur um unseren eigenen Planeten. Auf welche Ursprünge lassen sich unsere Energiequellen zurückführen, die uns mit Strom, Wärme oder Kraftstoff versorgen? Oft ist die Quelle durch ein wenig nachdenken relativ leicht zu finden. In manchen Fällen ist es allerdings etwas schwieriger, wie wir gleich sehen werden...

Erdwärme und Kernenergie,

Beginnen wir im Zentrum, d.h. im Erdmittelpunkt bzw. dem heißen Kern der Erde. Unsere Erde ist zwar schon deutlich über vier Milliarden Jahre alt, aber es ist immer noch eine Menge Restwärme aus der Zeit ihrer Entstehung vorhanden. Diese Restwärme macht vermutlich fast die Hälfte der im Erdinneren vorhandenen Wärme aus. 

Es ist sinnvoll, eine neue Systemgrenze zu ziehen, diesmal nur um unseren eigenen Planeten. Woher kommt also die Energie auf der Erde, die wir uns auf solch vielfältige Weise zu Nutze machen? Beginnen wir im Zentrum,  im Erdmittelpunkt, dem heißen Kern. Die Erde ist zwar schon deutlich über vier Milliarden Jahre alt, hält aber immer sehr viel Restwärme aus der Zeit ihrer Entstehung. Diese Restwärme macht vermutlich fast die Hälfte der im Erdinneren vorhandenen Wärme aus.

Bleibt die Frage nach der anderen Hälfte. Als die Erde noch glühend heiß und zähflüssig war, sanken schwere Elemente nach unten in Richtung ihres Mittelpunkts – wie ein ins Wasser geworfener Stein auf den Grund eines Sees. Neben Eisen und Nickel zählten auch radioaktive Elemente wie beispielsweise Uran dazu. Radioaktive Stoffe sind instabil, sie zerfallen mit der Zeit in Spaltprodukte. Neben radioaktiver Strahlung wird bei dieser Reaktion auch Wärme freigesetzt und eine Kettenreaktion ausgelöst. Damit ist die Frage nach der anderen Hälfte der Wärme im Erdinneren geklärt. In Geothermiekraftwerken beispielsweise wird diese Energiequelle aus dem Erdinneren genutzt.

Aber auch die Kernspaltung hat ihren Weg an die Oberfläche gefunden. Nach dem beschriebenen Prinzip funktionierte im afrikanischen Gabun ein sogenannter Naturreaktor sogar an der Erdoberfläche. Ein natürliches Uranvorkommen löste dort für 500.000 Jahre eine nukleare Kettenreaktion aus.

Seit Mitte der fünfziger Jahre des letzten Jahrhunderts beherrscht auch der Mensch die Kernspaltung. Die dabei freigesetzte Energie wird in den sogenannten Kern- oder Atomkraftwerken zur Wärme- bzw. Stromerzeugung eingesetzt.

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Planetenbewegung und Gravitation

An wenigen Standorten auf der Erde werden sogenannte Gezeitenkraftwerke betrieben. Das sind Wasserkraftwerke, die den Tidenhub, also den Höhenunterschied des Wasserspiegels zwischen Ebbe und Flut, und die Strömungsenergie des Wassers zur Stromerzeugung ausschöpfen. Die Gezeiten beruhen auf den Anziehungskräften (Gravitation) des Mondes und zu einem geringeren Teil auch der Sonne. Bemerkenswert ist in diesem Fall, dass die Energiequelle außerhalb der eingangs gewählten Systemgrenze liegt. Die Definition eines offenen Systems lässt aber zu, dass Energieströme die Systemgrenze überschreiten.

Die Planetenbewegung und die Gezeiten haben auch einen geringen Anteil an der Entstehung von Meeresströmungen. Da die globalen Meeresströme, wie etwa der Golfstrom, aber hauptsächlich durch die Sonne angetrieben werden, beleuchten wir dieses Thema im folgenden Abschnitt.

Sonnenenergie

Die Sonne ist die Hauptenergiequelle unseres Planeten. Auch sie liegt außerhalb unserer gewählten Systemgrenze. Alle anderen, bis jetzt noch nicht genannten Energiequellen gehen, wie sich zeigen wird, letztendlich auf sie zurück.

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Kernfusion

Im Inneren der Sonne findet ununterbrochen eine Kernfusion statt. Dabei entsteht aus Wasserstoff-Protonen Helium. Sehr viel Energie wird freigesetzt, die die Sonne in das All abstrahlt.

Die Wasserstofffusion ist Gegenstand internationaler Forschung. Wenn es gelingt, sie auch auf der Erde technologisch in den Griff zu bekommen, dürften die Energie- und auch Emissionsprobleme auf dem blauen Planeten gelöst sein. Wasserstoff ist nahezu unbegrenzt verfügbar und verbrennt schadstofffrei. Noch ist dieses Thema Zukunftsmusik, konzentrieren wir uns deshalb auf die bereits genutzten Technologien.

Photovoltaik und Solarthermie

Photovoltaik und Solarthermie nutzen die Strahlungsenergie der Sonne direkt. Deshalb ist die ursprüngliche Energiequelle hier noch klar erkennbar.

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Windenergie

Bei der Nutzung von Windenergie lässt sich die Quelle nicht so leicht identifizieren. Wind entsteht durch Luftdruckunterschiede, die entsprechend den Naturgesetzen nach Ausgleich streben. Deshalb strömt die Luft solange vom Hoch- zum Tiefdruckgebiet, bis kein Unterschied mehr vorhanden ist. Für die Entstehung der Hochs und Tiefs ist wiederum die Sonne verantwortlich, da sie die Erdoberfläche und die Atmosphäre unterschiedlich stark erwärmt.

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Wasserkraft

Bei einem Wasserkraftwerk in einem Fluss fällt es noch schwerer, die Sonne als Energiequelle anzunehmen. Dass die Sonnenstrahlung für die Verdunstung von Wasser und somit auch die Entstehung von Wolken ursächlich ist, ist aber nachvollziehbar. Wie wir bereits wissen, ist für den Wind, der die Wolken treibt, ebenfalls die Sonne verantwortlich. Der folgende Niederschlag kann dann sehr lange in einem Gletscher als Eis gefangen sein, bis er sich als Schmelzwasser wieder auf den Weg zum Meer macht. Aber dennoch ist auch in diesem Fall die Sonnenenergie letztlich die treibende Kraft. Sie bringt den Fluss sozusagen „ins Bett“. Sie hat dem Wasser seine Lageenergie bereitgestellt (es wurde sozusagen vom Meeresspiegel bis auf die Höhe des Ortes des Niederschlags angehoben). Je größer die Fallhöhe und die Geschwindigkeit des Wassers nun sind, desto attraktiver wird die Nutzung von Wasserkraft mittels Turbinen oder Wasserrädern.

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Meeresenergie (Strömung)

Auch die Nutzung von Meeresenergie kann – neben einem Anteil der Planetenbewegung (Rotation) und der Gezeiten – zum überwiegenden Teil der Sonne zugeschrieben werden. Sie sorgt durch die Erwärmung und Verdunstung von Wasser für den Antrieb. Die dadurch hervorgerufenen Temperatur- und Salzgehaltunterschiede des Meerwassers rund um den Globus treiben die sogenannte thermohaline Zirkulation an. Sowohl die Temperatur als auch der Salzgehalt haben Auswirkungen auf die Dichte des Meerwassers. Kaltes, salzreiches Wasser hat die größte Dichte. Sinkt es ab, entfaltet es die Wirkung ähnlich einer riesigen Pumpe. Es muss zwangsläufig an anderer Stelle wieder „auftauchen“.


Wellenenergie

Anteil an der Entstehung und Richtung der Meeresströme und der Wellen haben ebenfalls die globalen Winde (also die Sonne!). Wellenenergie wird heute auf zunehmend vielfältige Weise genutzt. Damit hat sie  das reine Forschungsstadium hinter sich gelassen.

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Biomasse

Auch Pflanzen, Algen und sogar Bakterien nutzen die Sonnenstrahlung, um energiereiche, organische Verbindungen aufzubauen. Diese sogenannte Photosynthese ist der Motor für alles Leben auf der Erde. Ohne sie könnten Pflanzen nicht existieren und ohne Pflanzen keine Pflanzenfresser. Und ohne Beute wären auch die Fleischfresser binnen kurzer Zeit nicht mehr überlebensfähig. Auch der Mensch benötigt Kohlenhydrate, Fette und Proteine, die ihren Ursprung in den genannten Nahrungsketten haben. Es ist kaum denkbar, Kohle zu lutschen, um den Energiebedarf zu stillen. Aber die gäbe es ja in diesem Falle auch nicht. Dazu gleich mehr.

Die Energie, die wir unmittelbar zum Leben brauchen, liefert uns dementsprechend indirekt ebenfalls die Sonne.

Aber abgesehen davon ist Biomasse, insbesondere Holz, zugleich ein bedeutender Brennstoff, also ein wichtiger Energielieferant. Sie ist außerordentlich vielseitig einsetzbar und kann in technischen Prozessen nicht nur in Festbrennstoffe sondern auch in Gase und flüssige Treibstoffe umgewandelt werden.

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Fossile Energie (Biomasse)

Was der Mensch durch Technologie leistet, kann die Natur auch. Sie braucht dazu nur etwas mehr Zeit. Wie erwähnt, verdanken auch Kohle, Erdöl und Erdgas ihre Existenz der Sonne, da sie aus organischem Material (also Biomasse) unter Einwirkung von Druck und Wärme entstanden sind. Solche Umwandlungsprozesse dauern zwar Jahrmillionen, aber dennoch sind auch die fossilen Energieträger nichts anderes als gespeicherte Sonnenenergie!

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