Energie

Energie – Definition, Arten von Energie und Energieumwandlung

Inhalt des Wiki-Artikels

• Energie – Arten von Energie, Energieerhaltungssatz, Wirkungsgrade
• Arten von Energie
• Der Energieerhaltungssatz in der Physik
• Formel zur Berechnung von Energie und Arbeit
• Energie und Wirkungsgrad
• Die Energiewende in Deutschland

Die Energie ist eine wichtige Größe in der Physik. Laut Definition ist Energie die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Energie kommt in verschiedenen Formen vor, die weitgehend ineinander umwandelbar sind. Der Begriff leitet sich vom griechischen Wort enérgeia ab, das so viel bedeutet wie „wirkende Kraft“. Da alle natürlichen Vorgänge Energie bedürfen, ist sie lebensnotwendig. Seit Menschengedenken dient die Sonne als Energiequelle. Als Arbeitsvermögen physikalischer Systeme ist Energie sowohl technisch als auch wirtschaftlich bedeutsam. Jeden Tag nutzen Menschen Energie auf vielfältige Weise, zum Beispiel um Maschinen anzutreiben, Räume zu beheizen oder zu kühlen, für den Gütertransport und für Beleuchtungen.¹

Arten von Energie

Anhand der Klassifizierung physikalischer Systeme lassen sich verschiedene Arten von Energie unterscheiden. Alle Energieformen sind äquivalent zueinander, das bedeutet, eine Energieform kann in eine andere umgewandelt werden. Unter anderem gibt es folgende Arten von Energie:

• Mechanische Energie (potenzielle und kinetische Energie bzw. Lage- und Bewegungsenergie)
• Elektrische Energie
• Magnetische Energie
• Elektromagnetische Energie
• Thermodynamische Energie (Wärmeenergie)
• Deformationsenergie (Formänderungsenergie)
• Verschiedene Formen der Bindungsenergie (z. B. chemische Energie, Kernenergie)
• Strahlungsenergie

Über Bewegungsenergie verfügt zum Beispiel eine rollende Kugel, Lichtquellen wie die Sonne senden Strahlungsenergie aus. Elektrische Energie – also Strom – wird durch die Umwandlung fossiler Primärenergieträger oder mittels erneuerbarer Energien gewonnen. So kann etwa die in der Solarstrahlung der Sonne enthaltene Energie mit Hilfe von Photovoltaik in Strom umgewandelt werden.²

Der Energieerhaltungssatz in der Physik

In der Physik ist der Energieerhaltungssatz grundlegend für Formeln zur Berechnung der Energie. Er besagt, dass Energie von eine Form in eine andere umgewandelt, aber weder erzeugt noch vernichtet werden kann. In einem geschlossenen System bleibt die Gesamtenergie also immer konstant. Auch im Universum ist die Gesamtenergie konstant. Die Energie kann ihre Form wechseln, sie lässt sich speichern und von einem Ort zu einem anderen transportieren. Wenn von Energieverbrauch die Rede ist, wird die Energie nicht aufgebraucht, sondern in eine andere Energieform umgewandelt. Beispielsweise wird elektrische Energie in die Nutzenergie Wärme umgewandelt.³

Formel zur Berechnung von Energie und Arbeit

In einer Formel steht der Buchstabe E für Energie und W für die Arbeit. Sowohl die Energie als auch die Arbeit werden in der Einheit Joule (J) angegeben. Laut Definition wird die Arbeit (W) verrichtet, wenn ein Körper unter Einwirkung einer konstanten Kraft (F) um eine Strecke (s) verschoben wird. Berechnen lässt sich die Arbeit mit der Formel:

Neben der geleisteten Arbeit muss bei technischen Anwendungen häufig nicht nur die geleistete Arbeit, sondern auch die Zeit, in der diese Arbeit verrichtet wurde, berücksichtigt werden. Die Leistung wird in einer Formel mit P angegeben, ihre Einheit ist das Watt. Die Leistung ergibt sich aus dem Quotienten von der geleisteten Arbeit und der dafür benötigten Zeit (t). Die Formel zur Berechnung der Leistung lautet:

Die Energie wird in Formeln oft genauer definiert. So steht E_pot für potenzielle Energie und E_kin für kinetische Energie. Die Gesamtenergie (E_ges) eines Systems wird durch Addition der einzelnen Energieformen ermittelt:

Innerhalb eines reibungsfreien Systems bleibt die Energiemenge immer konstant, auch wenn eine Energieform in eine andere umgewandelt wird. Die jeweiligen Anteile der Energiearten können sich ändern.⁴

Energie und Wirkungsgrad

Während in einem geschlossenen System die Gesamtenergie immer erhalten bleibt, sieht es bei der praktischen Nutzung von Energie anders aus. Bei Umwandlungsprozessen geht gewöhnlich ein Teil der umzuwandelnden Energie in eine nicht gewünschte Energieform über. Beispielsweise wird bei einer Glühbirne die elektrische Energie nicht nur in Licht, sondern auch in Wärme umgewandelt, die in diesem Fall nicht weiter nutzbar ist. Beschrieben wird das Verhältnis von zugeführter und gewünschter abgegebener Leistung durch den Wirkungsgrad. Er hat einen Wert zwischen null und eins, wobei null bedeutet, dass sich kein Nutzen ergibt, während bei einem Wert von eins der Nutzen dem Aufwand entspricht. Zumeist wird der energetische Wirkungsgrad jedoch in Prozent angegeben. Ein Wirkungsgrad von eins ist praktisch nicht realisierbar, weil Energieumwandlungsprozesse immer mit unerwünschten Verlusten einhergehen. Einen Überblick über die energetischen Wirkungsgrade von Kraftwerken und Erneuerbare-Energien-Anlagen gibt die folgende Tabelle:

Bei Heizungsanlagen und anderen Anlagen wird der sogenannte Anlagenwirkungsgrad angegeben. Dieser berücksichtigt die Wirkungsgrade aller eingebundenen Einzelgeräte wie Wärmeerzeuger und Heizkörper. Der Anlagenwirkungsgrad gibt also den tatsächlichen Wirkungsgrad einer Anlage unter Einbeziehung aller Verluste an, er beschreibt das Verhältnis von Energieverbrauch und erzeugter Nutzenergie.⁵

Die Energiewende in Deutschland

In Deutschland wurde die Energiewende beschlossen, um eine umweltverträgliche Energieversorgung zu schaffen. Statt aus nuklearen und fossilen Brennstoffen wird Energie nun vermehrt aus erneuerbaren Energien gewonnen. Rund 46 Prozent des Stroms wurden 2020 bereits aus Wind, Sonne, Wasser oder Biomasse gewonnen. Bis 2050 soll Deutschland treibhausneutral sein, denn durch die Anreicherung von Kohlenstoffdioxid und anderen Treibhausgasen in der Atmosphäre steigt die durchschnittliche Temperatur auf der Erde an: Dies hat zur Folge, dass der Meeresspiegel ansteigt und die Häufigkeit von Extremwetter zunimmt.⁶