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Einführung Energie

Energieerhaltungssatz und seine Bedeutung

"Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden, sondern sie ändert allenfalls ihre Erscheinungsform"

So lautet der von Hermann von Helmholtz im Jahre 1847 formulierte Energieerhaltungssatz.

 Das Prinzip der „Energieerhaltung“ oder zumindest den Begriff hat wohl jeder schon einmal gehört. Nur was ist eigentlich seine konkrete Bedeutung?

 Energie kann weder produziert noch vernichtet oder verbraucht werden, Energie ist demzufolge "erhalten". (1. Hauptsatz der Thermodynamik).

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik geht auf Rudolf Claudius zurück und brachte der Wissenschaft Erkenntnisse über die Richtung der energetischen Prozesse. 1865 erkannte er das Wärme dazu tendiert stest vom wärmeren auf das kältere Objekt übertragen zu werden. Dieser Prozess lässt sich in geschlossenen Systemen nicht umkehren.

Weiterhin erkannte Clausius das sich mechnanische Arbeit zwar vollständig in Wärmeenergie umwandeln lässt. Auch dieser Prozess lässt sich nicht umkehren. Es ist unmöglich Wärme vollständig wieder in Arbeit zu übertragen.

Der Grund hierfür steckt in der sogenannten Entrophie.

Der Begriff Energieverbrauch meint somit stets eine Umwandlung von Eenrgie in andere Energieformen. Da Energie ja weder verbraucht noch vernichtet werden kann sprocht man daher häufig von einer Entwertung der Energie. Alle Energieformen werden letzendlich durch Reibung in thermische Energie umgewandelt.

Seit Max Planck wird unter Energie die physikalsiche Fähigkeit eines Systems äußere Wirkung zu erzielen, also Arbeit zu verrichten verstanden.

Das bedeutet auch das es ohne Energie auch keine Leistung im System geben kann.

Folgende Unterscheidung nach Energieform lassen sich vornehmen:

  • Mechanische Energie

  • Thermische Energie

  • Elektrische Energie

  • Chemische Energie

  • Magnetische Energie

  • Kernenergie und

  • Strahlungsenergie.

 

Die handelbaren Einheiten für die leitungsgebundenen Energien (Strom, Gas und Fernwärme) an den Energiemärkten ist die Kilowattstunde [kWh] sowie für die Leitungsbereitstellung das Kilowatt [kW].

Leistung ist dabei die Energiemenge (Joule) pro Zeiteinheit, zumeist die Sekunde [J/s]. Ihre Maßeinheit ist das Watt (1W=1J/s).

Im Folgenden sollen die zentralen Begriffe der modernen Energiewirtschaft eingehender erläutert werden. Grundsätzlich kann zunächst zwischen Energievorräten und Energiequellen unterschieden werden. Energiequellen sind dabei in menschlichen Maßstäben gemessen als unbegrenzt anzusehen und sind darüber hinaus technisch nicht steuerbar.

Energievorräte und Energiequellen bilden zusammen die sogenannte Energiebasis. Sie definiert die dem Menschen grundsätzlich zur Verfügung stehende Energie. Ausgehend von der Energiebasis kann folgende Unterteilung unternommen werden:

  • Energievorräte

    • Fossile Energievorräte

      • Reserven

      • Ressourcen

    • Rezente Energievorräte

  • Energiequellen

Dabei sind die fossilen Energievorräte in menschlichen Maßstäben und Dimensionen als endlich anzusehen. Sie wurden in der Erdgeschichte durch biologische und/oder geopyhsikalische Prozesse gebildet und werden nach ihrer Nutzbarkeit in Reserven und Ressosurcen unterteilt.

  • Reserven umfassen die sicher nachgewiesenen und mit bekannter Technologie wirtschaftlich erschließbaren Vorkommen inder Erdkruste.

  • Ressourcen sind Vorkommen, die noch nicht wirtschaftlich zu fördern sind oder die noch nicht sicher nachgewiesen wurden.

Quelle: FEDDECK, P. (2003). Was ist Energie?, ISSN 1438-3802; Hrsg.: FIZ Karlsruhe GmbH

Preissteigerungen an den Weltrohstoffmärkten oder neue Explorationstechniken und Ergebnisse können somit Ressourcen in Reserven überführen. Als Beispiel können hier die Ölsande angeführt werden die aufgrund der Preissteigerung wirtschaftlich zu nutzen waren.

Rezente Energievorräte sind in gegenwärtigen Zeiten ohne menschlichen Einfluss gebildete Energievorräte. Die Bildung geschieht hauptsächlich durch biologische und/oder geophysikalische Prozesse. Rezente Energievorräte sind demnach also Biomasse oder die potentiell gespeicherte Energie in den Oberflächengewässern (Seen).

Energiequellen liefern in menschlichem Ermessen unerschöpfliche Energieströme.

Ein Energieträger ist per Definition ein Stoff der die oben beschrieben Energie trägt oder innehat. Aus ihm kann entweder direkt oder durch Umwandlung Nutzenergie gewonnen werden.

Man unterscheidet nach,

  • dem Grad der Umwandlung in Primär-, Sekundär- und End-/Nutzenergieträger, wobei der Energiegehalt des jeweiligen Energieträgern als Primär-, Sekundär oder End- und Nutzneenergie bezeichnet wird.


Eine Übersicht gibt folgende Darstellung:

Quelle:
KALTSCHMITT, M.; HARTMANN, H. & HOFBAUER, H. (Hrsg.) (2009). Energie aus Biomasse - Grundlagen, Techniken und Verfahren, Heidelberg, London, New York, ISBN 978-3-540-85094-6; Hrsg.: Springer-Verlag Berlin Heidelberg
KONSTANTIN, P. (2009).Praxisbuch Energiewirtschaft, ISBN 978-3-540-78591-0; Hrsg.: Springer-Verlag Berlin Heidelberg

Anteile einzelner Energieträger am Primärenergieverbrauch
Quelle: Umweltbundesamt

Der deutsche Energiemix setzt sich aus folgenden Energieträgern zusammen. Dargestellt werden die Anteile der einzelnen Energieträger am Primärenergiebedarf.

Aus diesem Energieträgermix wird im deutschen Kraftwerkspark letztlich unsere Nutzenergie her- und bereitgestellt. Dies führt dazu das im Durchschnitt unter Annahme dieses Energiemixes bei der Stromerzeugung pro Kilowattstunde (kWh) etwa 560 Gramm CO2 in die Atmosphäre gelangen.

Reichweiten und Importabhängigkeiten fossiler Energieträger

Importabhängigkeiten von Rohstoffen

Ein globales Maximum der Erdölproduktion, auch bekannt als „Peak Oil“, rückt näher. Nicht schon morgen, doch in einem auch für die heutigen Gesellschaften relevanten Zeitraum. Entweder weil die physische Erschöpfung der natürlichen Vorkommen keine wirtschaftliche Steigerung der Förderung zulässt oder weil der Bedarf dank alternativer Energiebereitstellung auf andere Weise gedeckt werden kann.
Zu diesem Schluss gelangte die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) bereits in der Energiestudie des Jahres 2013. In jedem Fall sind gravierende Änderungen in den Energiesystemen mit der Abkehr vom Erdöl verbunden. Deutschland hat mit dem international aufmerksam beobachteten Weg der Energiewende eine klare Richtung eingeschlagen. Fest steht jedoch: Desto höher die Importabhängigkeit desto höher das Handelsdefizit und je höher die Abhängigkeit von Exportnationen wie bspw. Russland.
Je höher die Abhängigkeiten auf globaler Ebene desto schneller versiegen die Quellen - was wiederum vielerorts Konflikte zusätzlich anheizt. Die Reduzierung der Reichweiten dieser Energieträger ist eine direkte Folge.
Die Reichweite von Energieträgern kann entweder statisch oder dynamisch betrachtet werden. Aufgrund der hohen Unsicherheiten durch die Vielfalt der Faktoren wird in der energiewirtschaftlichen und rohstoffpolitischen Betrachtung zumeist die statische Reichweite verwendet.

Die statische Reichweite beschreibt eine Momentaufnahme eines sich dynamisch entwickelnden Systems. Weiterhin werden stets Grundannahmen getroffen die auf Prognosen beruhen. Diese Abhängigkeit der abgeleiteten Aussagen trägt wiederum dazu bei die Unschärfe dieser Aussagen zu erhöhen.

Derzeit geht man von folgenden Reichweiten fossiler Energieträger aus:

EnergieträgerReichweite in Jahren
Steinkohle170
Braunkohle230
konventionelles Erdöl42
nicht konventionelles Erdöl        17
Erdgas65 (ohne Fracking)
Uran68

Quelle: BUNDESANSTALT FÜR GEOWISSENSCHAFTEN UND ROHSTOFFE (2014). Reserven, Ressourcen und Verfügbarkeit von Energierohstoffen. Datenstand 2014

Wirtschaftliche Abhängigkeit vom Erdöl

Supertanker Fassungsvermögen: ca. 2 Millionen Fass Erdöl

Die heutige Weltwirtschaft ist in höchstem Maße abhängig vom Rohstoff Erdöl. Unser früherer Außenminister Joschka Fischer tätigte einst die Aussage:
«die Golfregion bleibt die Tankstelle der Weltwirtschaft.»
Zitat aus: Joschka Fischer: Grenzen des Wachstums? Bank Notenstein Gespräch Nr. 15, Oktober 2014.

Damit hat er bis zur heutigen Zeit recht behalten - leider!

Unser weltweiter Bedarf an Erdöl erreicht unvorstellbare Ausmaße. Oder wie sollte man sich eine Menge von 90 Millionen Litern pro Tag vorstellen? Ein Fass Erdöl hat ein Volumen von 159 Liter. Gut nun sind es rund 566.000 Fass Erdöl. Diese kann man auch nur schwer greifen und fassbar machen.

Aber einen Supertanker hat wohl jeder bereits gesehen, zumindest im Fernsehen.
Ein jeder solcher Supertanker fasst etwa 2 Millionen Liter Erdöl. Das heißt das die Weltwirtschaft jeden Tag 45 dieser Tanker benötigt!

Und das vorgestern, gestern, heute und auch morgen!
Dabei hat der amerikanische Präsident Barack Obama bereits frühzeitig erkannt:
«Unsere Sucht nach Öl zu durchbrechen ist eine der größten Herausforderungen, der unsere Generation je gegenüberstehen wird.»

Zitat aus: «Obama will strategische Ölreserven anzapfen». Neue Zürcher Zeitung 5. August 2008.