Knackpunkt Energiespeicherung
Der Umstieg auf erneuerbare Energie kann nur gelingen, wenn sich diese in grossem Masse speichern lässt. Doch das ist alles andere als einfach.
Text — Raphael Hegglin
Lena ist begeisterte Läuferin. Jeden Morgen spult sie in ihren Joggingschuhen 10 km ab. Eine Faustregel besagt, dass man pro kg Körpergewicht und km 1 kcal bzw. 4,2 kJ verbrennt. Die 55 kg schwere Lena benötigt für ihre Morgenrunde also rund 550 kcal bzw. 2300 KJ an Energie. Diese kann Lena «auftanken», indem sie vorher zum Beispiel 5 Scheiben Brot oder eine Tafel Schokolade isst.
In Lenas Fall sind Brot und Schokolade Energieträger. In zahlreichen chemischen Reaktionen wandeln Lenas Muskeln den darin enthaltenen Zucker und weitere Nährstoffe in Bewegungsenergie um. Doch wie ist das möglich? Und was passiert genau dabei?
ENERGIE WANDELT SICH STETIG
Einfach gesagt ist Energie die Fähigkeit, mechanische Arbeit zu verrichten sowie Wärme und elektromagnetische Strahlen wie Licht abzugeben. Energie geht nie verloren, sie wandelt sich nur von einer Form in die andere um. Es gibt also verschiedene Energiearten wie zum Beispiel kinetische Energie (Bewegungsenergie), thermische Energie (Wärme), elektrische Energie oder chemische Energie.
Die meisten Energieformen sind flüchtig und verteilen sich in der Umwelt schnell oder wandeln sich in eine andere Energieform um. Löschen wir zum Beispiel das Licht, wird es sofort dunkel. Denn Licht ist Strahlungsenergie, die von Gegenständen aufgenommen und in Wärme umgewandelt wird. Wäre dem nicht so, würde die einmalige Zugabe von Licht reichen, um einen Raum dauerhaft zu erleuchten.
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ENERGIEUMWANDLUNG
Energie geht nie verloren, sie wandelt sich lediglich von einer in die andere Form um.
Grafik: VectorMine/shutterstock.com
VERBRENNUNG: WICHTIGE ENERGIELIEFERANTIN
Einige Energieformen sind beständiger, sie wandeln sich nicht spontan in eine andere Energieform um. Darunter fällt die chemische Energie, welche unsere Läuferin Lena für ihren 10-km-Lauf nutzt: Zucker und andere Nährstoffe sind Verbindungen, die grosse Mengen an chemischer Energie gespeichert haben. Unser Körper ist in der Lage, diese Nährstoffe aufzuspalten und in einfachere Verbindungen umzuwandeln, die weniger chemische Energie enthalten. Dazu verbrennen wir den Zucker und es entstehen daraus CO2 (welches wir ausatmen) und Wasser.
Die dabei freiwerdende chemische Energie nutzen unsere Körperzellen und wandeln sie in kinetische Energie, in Bewegungsenergie um. Lenas Muskeln arbeiten vereinfacht gesagt nicht viel anders als der Verbrennungsmotor eines Autos: Auch dieser verbrennt Benzin oder Diesel zu Wasser und CO2; die freiwerdende chemische Energie bewegt die Kolben in den Zylindern und treibt das Auto an. Doch wer Lena nun eine schlechte CO2-Bilanz ankreiden möchte, irrt: Da Lena ihre Energie aus nachwachsenden Rohstoffen bezieht, ist ihr Training klimaverträglich – was auf fossile Brennstoffe nicht zutrifft.
CHEMISCHE REAKTION LIEFERT STROM
Chemische Energie ist nicht nur in Brennstoffen und Nahrungsmitteln gespeichert. Ein weiterer wichtiger Energieträger sind Batterien: In ihnen werden Stoffe ebenfalls durch eine chemische Reaktion in neue, energieärmere umgewandelt. Der grösste Teil der freiwerdenden chemischen Energie fällt hier als elektrischer Strom an. Ist die chemische Reaktion abgeschlossen, sind also alle Ausgangsstoffe aufgebraucht, ist die Batterie «leer». Sie kann keinen Strom mehr erzeugen.
Bei Akkus ist das anders: Sie sind so konzipiert, dass sich die Reaktion wieder rückgängig machen lässt, indem man den zuvor entnommenen Strom zurückführt. Doch das funktioniert bekanntermassen nicht unbegrenzt. Denn bei jedem Entladezyklus wird ein kleiner Prozentsatz der im Akku gebundenen Rohstoffe für immer umgewandelt – und geht so für die Stromspeicherung verloren.
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WAS SIND ENERGIETRÄGER?
Energieträger sind Stoffe oder Systeme, die Energie gespeichert haben, welche sich bei Bedarf als Bewegungsenergie, Wärme, Licht oder elektrische Energie beziehen lässt. In der Praxis unterscheidet man zwischen primären und sekundären Energieträgern. Primäre Energieträger sind natürliche Ressourcen, die direkt aus der Natur gewonnen werden. Darunter fallen zum Beispiel Holz, Stein- und Braunkohle, Erdöl, Erdgas oder Uranerz.
Die meisten primären Energieträger lassen sich nicht direkt nutzen, sondern müssen zuerst – unter Verlust – zu einem sekundären Energieträger weiterverarbeitet werden. So lassen sich zum Beispiel Autos nicht mit Rohöl betreiben. Dieses muss zuerst zum sekundären Energieträger Benzin oder Diesel raffiniert werden. Beispiel für einen primären Energieträger, der sich direkt nutzen lässt, ist Brennholz. Doch auch dieses wird heute mehrheitlich zuerst zu Pellets oder Hackschnitzel weiterverarbeitet.
ENERGIE IN DER HÖHE GESPEICHERT
Der Mensch nutzt chemische Energie seit je her als Energiequelle. Doch auch potenzielle Energie ist eine Speicherform, die für uns gut zugänglich ist. Es ist jene Energie, die ein Körper in einer bestimmten Höhe besitzt: Ein Ball in 1 m Höhe hat halb so viel potenzielle Energie wie der gleiche Ball in 2 m Höhe. Losgelassen, wird der Ball aus 2 m Fallhöhe schneller und «härter» auf den Boden aufschlagen als jener aus 1 m Fallhöhe. Solange die beiden Bälle gehalten werden, bleibt diese Energie jedoch in ihnen gespeichert. Sie wird erst freigesetzt, wenn wir sie loslassen.
Uhren mit Gewichten sind nichts anderes als Systeme, die potenzielle Energie speichern und allmählich in Bewegungsenergie umwandeln, um die Zahnräder des Uhrwerks anzutreiben. Am meisten potenzielle Energie speichern wir in unseren Stauseen: Bei Bedarf lassen wir das Wasser darin durch Röhren den Berg hinunterschiessen, wo es mit seiner Bewegungsenergie Turbinen antreibt, die wiederum Strom erzeugen.
WICHTIGSTE ENERGIEFORMEN SCHWER ZU SPEICHERN
Doch es bleibt die Krux: Energieformen wie thermische Energie, Elektrizität oder Bewegungsenergie lassen sich kaum speichern. Wir müssen sie zuerst in eine andere Energieform umwandeln, um sie für uns «haltbar» zu machen. Bei diesen Umwandlungsprozessen geht immer ein Teil der Energie verloren, auch sind sie mit Kosten verbunden und ihre Kapazität ist sehr begrenzt. Die Speicherung von Energie ist daher eines der wichtigsten Zukunftsthemen.
