Energiefluss

Grundidee und Messung

Energiefluss ist die Weitergabe physikalischer Energie zwischen technischen oder natürlichen Systemen; in der Energietechnik heißt dies auch Energieübertragung. Seine Stärke ist eine Leistung, also Energie pro Zeitspanne.

Im Ökosystem beschreibt Energiefluss den Transfer und die Umwandlung eingestrahlter Sonnenenergie oder bereits vorhandener chemischer Energie. Die Energie gelangt über die Biomasse der Primärproduzenten in die Nahrungskette aus Konsumenten- und Destruentenkette. Gemessen wird zum Beispiel in W (Watt), J/s (Joule pro Sekunde; 1 J/s = 1 W), J/d oder PS (1 PS = 735,5 W). In der Energiewirtschaft kommen etwa kWh/d und tSKE/a hinzu.

Bei verteilten Energiequellen wird die Leistung auf die Fläche bezogen, etwa in J/(m² × d) oder W/m².

Umwandlung, Verluste und Vernetzung

Ökologische und technische Energieflüsse beruhen auf mehrfachen Energieumwandlungen. Jede Umwandlung hat nur einen bestimmten Wirkungsgrad; bei jedem Übergang von einer Energieform in eine andere wird Wärmeenergie frei.

In Nahrungsketten liegen die Wirkungsgrade beim Übergang zwischen trophischen Ebenen – zum Beispiel von Pflanzenfressern zu Raubtieren – vielfach nur bei etwa 10 % oder weniger. In technischen Energieflüssen können die Wirkungsgrade sehr unterschiedlich sein. Ein Beispiel ist die Umwandlung der potenziellen Energie gestauten Wassers als Primärenergie in elektrische Energie als Sekundärenergie beziehungsweise Energieträger und anschließend in Bewegungsenergie von Zügen als End- und Nutzenergie. Dabei kann beispielsweise durch Netzverluste viel Energie als Abwärme frei werden.

Beide Bereiche können miteinander vernetzt sein, etwa bei Wasserkraft oder Biomasse als Primärenergie. Umgekehrt kann die Zugkraft eines Esels eine Wasserförderanlage antreiben.

Bedeutung für Ökosysteme und Stoffkreisläufe

Energieflüsse lassen sich für Individuen, Populationen, Ökosysteme oder als Energiekreislauf der ganzen Erde erfassen. Sie ermöglichen vollständige Energiebilanzen.

Durch die trophischen Ebenen eines Ökosystems wird die von grünen Pflanzen assimilierbare eingestrahlte Lichtenergie letztlich zeitverzögert als Wärme an die Umwelt abgegeben. Kompartimente und Enzymketten in Lebewesen ermöglichen energetische Kaskaden: Energie kann schrittweise umgewandelt, gespeichert oder freigesetzt werden. Dadurch werden Lebensprozesse und Nahrungsketten möglich.

Energiequellen und Größenordnungen

Die Primärenergie eines Ökosystems muss nicht aus Licht stammen. Sie kann auch aus biochemischen Reaktionen kommen, etwa aus der Oxidation von Sulfiden. Dies ist besonders in sauerstofffreien Regionen wie Hydrothermalquellen im Ozean bedeutsam. Ein funktionierender Energiefluss ist die energetische Grundlage dafür, dass Ökosysteme und ihre Organismenwelt langfristig bestehen können und ein ökologischer Stoffkreislauf möglich ist.

Die Brutto-Primärproduktion eines mitteleuropäischen Waldökosystems beträgt etwa 1 W/m². Brutto-Primärproduktion bedeutet Biomasse-Produktion, ohne den von Pflanzen durch ihren Stoffwechsel veratmeten Anteil abzuziehen.

Ein erwachsener Mensch hat einen Energiefluss von etwa 100–150 W, entsprechend rund 3 kWh pro Tag, 10 MJ pro Tag oder 4 GJ pro Jahr. Diese Energie dient Stoffwechselaktivitäten, Gewebeproduktion, Bewegung und körperlicher Arbeit, Kommunikation sowie Wärmeproduktion. Der Gesamtenergieverbrauch pro Person ist in Mitteleuropa mit etwa dem 20- bis 30-Fachen wesentlich höher, weil zusätzlich Erdöl, Holz, Elektrizität und andere Energieformen etwa für Verkehr, Heizung und industrielle Produktion eingesetzt werden.