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Energie – was ist das eigentlich

Wenn es um das Thema Heizen geht, kommt die Sprache schnell auf „Energie“. Wir sprechen von Heizenergie, Energiegewinnung und sehr oft von Energieverschwendung. Alle wissen was damit gemeint ist, aber so genau erklären können es nur wenige. Dies mag daran liegen, dass es keine eindeutige Definition des Begriffs gibt.

Von der Philosophie bis zur Technik

Für Jahrtausende hatte der auf das altgriechisch zurückgehende Begriff „energeia“, die philosophische Bedeutung „lebendige Wirklichkeit und Wirksamkeit“. Erst 1807 brachte der Physiker Thomas Young den Ausdruck in die Physik ein. Er beschrieb die Stärke einer Wirkung eines bewegten Körpers, beispielsweise wie tief er nach einem Fall in einen weichen Untergrund eindringt.

In der Physik wurde die ursprüngliche Definition, dass Energie die Fähigkeit ist, mechanische Arbeit zu verrichten ergänzt durch den Zusatz „Wärme abzugeben oder Licht auszustrahlen“. In der Technik setzt man Energie und Kraft oft gleich. „Wasserkraft erzeugt elektrische Energie“. Fakt ist, dass es nicht möglich ist Energie zu erzeugen.

Formen der Energie

Es wird zwar immer von Energiegewinnung gesprochen, aber in Wirklichkeit geht es um den Übergang von einer Energieform in eine andere. In einem geschlossenen System bleibt die Menge an Energie immer gleich.

Hinweis: Für den Planeten Erde heißt dies, die auf dem Planten vorhandene Energiemenge ändert sich lediglich durch Wärmeabstrahlung in das Weltall und durch Energiezufuhr der Sonne. Es ist dabei unerheblich, ob die Sonnenenergie Luft, Erdreich oder Wasser erhitzt beziehungsweise chemische Veränderungen auslöst.

Die bekanntesten Energieformen sind potentielle, chemische, kinetische, elektrische und thermische Energie. Die potentielle Energie (Lageenergie) ist die Energie, die in einem Körper auf Grund seiner Lage gespeichert ist. Sie wird zu kinetischer Energie (Bewegungsenergie) wenn der Körper aus einer hohen in ein tiefe Lage verbracht wird. Beispiel: Buch fällt vom Tisch, Wasser fließt einen Berg hinunter.

Bei jeder der Umwandlungen wird ein Teil der Energie in thermische Energie verwandelt. Da diese sich schlecht speichern lässt, ist in diesem Zusammenhang oft von Energieverlust die Rede.

In den meisten Heizungen findet eine Umwandlung von chemischer Energie in Wärmeenergie statt. In KWK-Anlagen wird in der Regel ein Teil der thermischen in Bewegungsenergie verwandelt und diese in elektrische Energie.

Die chemische Energie ist im Stoff gespeichert und wird durch eine exotherme Reaktion in Wärme umgewandelt. Solche Reaktionen finden beispielsweise beim Abbinden von Beton statt oder beim mischen von Harz mit Härter.

Hinweis: Atomenergie ist keine chemische Energie. Bei dieser geht es um Vorgänge im inneren eines Atoms. Genauer, um Energie, die durch das Binden von Teilchen (Protonen, Neutronen) im Atomkern gebunden beziehungsweise freigesetzt werden. Daher auch der Begriff „Kernenergie“. Die chemische Energie stammt von der Hülle eines Atoms.

Beim Heizen geht es um eine Oxidation, also das Anlagern von Sauerstoff an Atome eines Stoffe. Da es sich nahezu immer um ein Alkane handelt (Eine Verbindung von Kohlenstoff und Wasserstoff) entstehen bei diesem Prozess Kohlenstoffoxid und Wasser. Sofern genügend Sauerstoff vorhanden ist, entsteht Kohlendioxid, ein Treibhausgas. Bei zu geringer Luftzufuhr entsteht giftiges Kohlenmonoxid.

Hinweis: Das Verbrennen von reinem Wasserstoff zu Wasser ist für die Umwelt unproblematisch. da es aber derzeit keine Verfahren gibt um großtechnisch genügend Wasserstoff herzustellen, spielt dieser Brennstoff keine Rolle. Das sogenannte Kværner-Verfahren kann dies in Zukunft ändern. Bei diesem Verfahren werden Kohlenwasserstoffe zu Kohle, Wasserstoff und Wasser zerlegt. Dabei kommt es auch zu Wärmeentwicklung.

Nutzung der Energieumwandlung

Der Mensch hat schon recht früh verstanden, gezielt die Form von Energie zu ändern und diese zu nutzen. Typische Beispiele sind Wind- und Wassermühlen, bei denen die Bewegungsenergie von Luft oder Wasser meist direkt in Bewegungsenergie von Maschinen verwandelt wurde. Aber auch hier gab es oft bereits gezielte Umwandlungen. Hämmer wurden gehoben um auf Werkstücke zu schlagen oder Wasser in höher gelegene Behältnisse gepumpt. (Erhöhung der Lageenergie)

Bereits im Mittelalter gab es einfach KWK-Anlagen. Die aufsteigende Wärme des Herdfeuers trieb einen Propeller an, der wiederum einen Bratspieß bewegte. http://www.toepfereimuseum.de/Detektivspiel_Feuer.pdf

Problematisch wurde die Nutzung von Energien, als nach der Erfindung der Dampfmaschine und des Verbrennungsmotors im großen Stil die in fossilen Stoffen gebundene chemische Energie in Wärme verwandelt wurde, die ihrerseits für Bewegungsenergie sorgte. Die ungenutzte Wärme war lange Zeit ein ungeliebtes Abfallprodukt. Auch das Umwandeln in elektrische Energie läuft bis heute nach einem fatalen Schema ab. Ein Energieträger setzt große Mengen an Wärme frei, die oft nur zu einem kleinen Teil in Bewegungsenergie verwandelt wird, die wiederum nur zu einem kleinen Teil zu elektrischer Energie wird. Die „überflüssige“ Wärme heizt Luft und Wasser auf. Es entsteht Wasserdampf, der generell problematisch ist, da er wie ein Treibhausgas wirken kann.

Heute versucht man, die Wärme, die in Industrieanlagen und Kraftwerken anfällt sinnvoll für das Heizen von Wohnungen zu nutzen. Es entstehen Fernwärmenetze. Leider lässt sch Wärme schlecht transportieren und speichern. Daher wird es immer wichtiger, dass Strom dort erzeugt wird, wo die Wärme benötigt wird. Die geschieht in Mini-Blockheizkraftwerken.

Sogenannte Brennstoffzellen sind ein weiterer Schritt in die richtige Richtung, da eine Stufe der Eneregieumwandlung entfällt.

Hausbesitzer, die sich für eine Brennstoffzelle zum Heizen des Hauses entschließen leisten einen wesentlichen Beitrag zum Schutz des Planeten Erde.

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