Energietechnik

Aufgabe und Bedeutung der Energietechnik

Energietechnik, auch Energietechnologie, ist eine interdisziplinäre Ingenieurwissenschaft zum Thema Energie. Sie behandelt Technologien zur effizienten, sicheren, umweltschonenden und wirtschaftlichen Gewinnung, Umwandlung, zum Transport, zur Speicherung und zur Nutzung von Energiequellen in allen Formen.

Zentrales Ziel ist eine hohe Ausbeute an Nutzenergie. Das bedeutet, den Wirkungsgrad – also den Anteil der eingesetzten Energie, der als nutzbare Energie verfügbar wird – zu maximieren. Zugleich sollen negative Folgen für Menschen, Natur und Umwelt möglichst gering bleiben. Energietechnik umfasst daher weit mehr als die Stromerzeugung, bei der oft thermische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Sie beinhaltet theoretische Grundlagen ebenso wie konkrete Anwendungen.

Die konventionelle Energietechnik spielte als Teil der industriellen Revolution eine wichtige Rolle. Wegen des Klimawandels begleiten heute zusätzlich alternative Technologien ihre Entwicklung. Das Fach ist eng mit Energiewirtschaft, Energiepolitik und Umweltschutz verbunden.

Zusammenarbeit mit anderen Wissenschaften

Als interdisziplinäres Fach verbindet die Energietechnik mehrere Wissenschafts- und Praxisbereiche:

• Physik liefert Grundlagen, insbesondere Thermodynamik und Kerntechnik.
• Chemie ist wichtig für Brennstoffe, Verbrennung, Luftreinhaltung, Rauchgasreinigung, Batterien und Brennstoffzellen.
• Elektrotechnik behandelt die elektrische Energietechnik.
• Maschinenbau betrifft energietechnische Maschinen, besonders Fluidenergiemaschinen wie Verbrennungsmaschinen, Turbinen, Pumpen und Verdichter.
• Verfahrenstechnik befasst sich mit Verfahren und Apparaten, insbesondere Feuerungen.
• Geowissenschaften sind für die Geothermie relevant; Bergbau, Montanwesen und Petrochemie für fossile Brennstoffe wie Kohle, Erdöl und Erdgas.
• Land- und Forstwirtschaft liefern Grundlagen für biogene Brennstoffe und nachwachsende Energierohstoffe.
• Meteorologie ist für Wind- und Solarenergie bedeutsam, Wasserwirtschaft und Wasserbau für Wasserkraft.
• Abfall- und Entsorgungswirtschaft ermöglichen die energetische Nutzung von Reststoffen. Auch Verkehrswesen, Umwelttechnik, Umwelt-, Natur- und Klimaschutz gehören dazu, etwa für energiesparende Antriebe und zur Minderung von Umweltfolgen.

Stromerzeugung und elektrische Systeme

Kraftwerkstechnik bezeichnet allgemein die gesamte Technik zur Stromerzeugung in jeder Art von Kraftwerk. Im engeren traditionellen Sinn meint sie vor allem klassische befeuerte Dampfkraftwerke. Dort stehen Feuerung, Dampfkessel und Turbosatz im Mittelpunkt. Ein Kohlekraftwerk wandelt beispielsweise den Energieträger Kohle zunächst in Wärme und dann in elektrischen Strom um.

Die elektrische Energietechnik ist ein vor allem von der Elektrotechnik getragenes Teilgebiet. Sie beschäftigt sich mit Erzeugung und Nutzung elektrischer Energie, umgangssprachlich Strom oder Elektrizität, sowie mit deren Umwandlung und Verteilung in Hochspannungsverbundnetzen. Zu ihren wichtigen Inhalten gehören elektrische Maschinen wie Generatoren, Elektromotoren und Transformatoren, außerdem Schaltanlagen, Umspannwerke und Trafostationen. Sie umfasst ferner Freileitungen und Kabel, Lastmanagement und Kraftwerkseinsatz in Verbundnetzen, Leistungselektronik mit Umrichtern sowie Elektrowärme beziehungsweise Elektroheizung.

Die Thermodynamik oder Wärmelehre ist ein Teilgebiet der klassischen Physik. Sie beschreibt die grundlegenden Gesetze der Energieumformung und bildet damit eine theoretische Grundlage für Energieverfahrenstechnik und Fluidenergiemaschinenbau.

Thermische Verfahren und Energieanlagen

Die Energieverfahrenstechnik ist ein Teil der Verfahrenstechnik und eng mit Chemie sowie Umwelttechnik verknüpft. Sie untersucht vor allem thermische und chemische Prozesse der Energieumwandlung.

Wärmetechnik behandelt die Gewinnung oder Erzeugung, Übertragung und Nutzung von Wärme. Der Begriff ist weit gefasst, wird teilweise mit Thermodynamik gleichgesetzt und kann als Oberbegriff für Energieverfahrenstechnik und Feuerungstechnik dienen.

Die Feuerungstechnik behandelt Konstruktion, Betrieb und Optimierung von Feuerungen, zum Beispiel Brennern, Rostfeuerungen, Wirbelschichtfeuerungen und Müllverbrennungsanlagen. Maßstäbe sind ein hoher energetischer Wirkungsgrad, eine schadstoffarme Verbrennung und Betriebssicherheit. Die Brennstofftechnik betrifft Gewinnung, mechanische, thermische und chemische Aufbereitung sowie Veredelung von Brennstoffen für eine wirtschaftliche und umweltschonende Verbrennung. Je nach Brennstoff arbeitet sie unter anderem mit Bergbau und Montanwesen, Agrartechnik oder Entsorgungstechnik zusammen.

Die Abgas- oder Rauchgasreinigungstechnik soll Abgase aus Verbrennungen möglichst weit von Luftschadstoffen befreien. Dazu nutzt sie mechanische, thermische und chemische Reinigungsverfahren. Kessel- und Energieapparatebau befasst sich mit Auslegung, Konstruktion und Betrieb von Dampfkesseln, Wärmetauschern und Kondensatoren. Hier treffen Wärme- und Feuerungstechnik auf Konstruktionslehre, Technische Mechanik – etwa Festigkeits- und Druckbehälterberechnung – und Werkstoffkunde. Gebäudeheiztechnik nutzt grundsätzlich dieselben Prozesse, ist aber für den häuslichen Bereich und kleinere Größenordnungen optimiert.

Maschinen, Kernenergie und erneuerbare Quellen

Energiemaschinenbau ist ein Teil des Maschinenbaus für Auslegung, Konstruktion, Bau und Betrieb von Maschinen zur Energiewandlung. Dazu zählen besonders Fluidenergiemaschinen wie Verbrennungsmotoren, Turbinen, Pumpen und Gebläse. Hohe thermische und mechanische Belastungen bei gleichzeitig hohen Anforderungen an die Betriebssicherheit machen sie anspruchsvoll. Dampf-, Gas-, Wasser- und Windturbinen erzeugen den Löwenanteil der weltweit erzeugten elektrischen Energie. Pumpen, Gebläse und Verdichter werden in Kraftwerken beispielsweise für Verbrennungsluft, als Speisewasserpumpen oder als Turboverdichter vor Gasturbinen eingesetzt. Kolben-Verbrennungsmotoren dienen Verkehrsmitteln sowie der Stromerzeugung in BHKWs und Stromaggregaten.

Kerntechnik umfasst Technologien zur Energieerzeugung aus Kernenergie, insbesondere Reaktortechnik für den Kernreaktor sowie Thermohydraulik. Auch Aufarbeitung kerntechnischer Brennstoffe und Entsorgung radioaktiver Abfälle gehören dazu; beteiligt sind außerdem Kerntechnik, Kernchemie und Strahlenschutz. In Deutschland ist das Fach angesichts politischer Diskussionen und des beschlossenen Atomausstieges vom Aussterben bedroht, global jedoch weiterhin von hoher Bedeutung. Kernfusion ist ein Sondergebiet; seit vielen Jahrzehnten wird an einem Fusionskraftwerk gearbeitet.

Erneuerbare Energiequellen (EE) sind wegen der Bedeutung von Energietechnik für Umwelt und Zukunft der Menschheit ein eigenständiges Fachgebiet. Ihre Technologie entwickelte sich weltweit ab etwa den 2000er Jahren zu einem eigenen Technik- und Wirtschaftszweig und ist heute Teil des Energiemix. Photovoltaik (PV) erzeugt Strom direkt aus Sonnenstrahlung mittels Solarzellen, dezentral oder in Photovoltaikkraftwerken; beteiligt sind Halbleitertechnik und elektrische Umrichter. Solarwärme nutzt Sonnenwärme: Solarthermie verwendet Solarkollektoren zur Gebäudeheizung, Sonnenwärmekraftwerke zur Stromerzeugung. Im Zusammenhang mit Photovoltaik ist auch die elektrolytische Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser wichtig.

Windkraftanlagen nutzen atmosphärische Strömungen und erfordern unter anderem Turmbau, Aerodynamik, Maschinenbau sowie Generatoren und Leistungselektronik. Geothermie nutzt Erdwärme zum Heizen und zur Stromerzeugung. Wasserkraft nutzt etwa gestauten Flüsse, Wellen oder Gezeiten; Bauwerke wie Kanäle, Stauwerke, Talsperren und Stollen sind Aufgaben von Wasserbau, Küsteningenieurwesen, Hydrologie und Geologie. Wasserturbinen gehören zum Energiemaschinenbau, spezielle elektrische Generatoren zum Elektromaschinenbau. Bioenergietechnik behandelt Gewinnung, Veredelung und Nutzung biogener Brenn- und Kraftstoffe. Ethanol und Methanol beziehungsweise daraus gewonnener Wasserstoff können in Brennstoffzellen Strom erzeugen.

Konflikte, Organisationen und Ausbildung

Energie ist für Menschen und Umwelt von überragender Bedeutung. Die Nutzung knapper Energiequellen und natürlicher Ressourcen war und ist häufig Ursache politischer Konflikte wie Ölkrise oder Energiekrise, teils auch von Kriegen. Abbau und Ausbeutung von Ressourcen können Umwelt und Natur schädigen – von lokalen Störungen von Ökosystemen bis zum globalen Klimawandel. Deshalb sind nachhaltige und umweltfreundliche energietechnische Lösungen notwendig.

Mit Energietechnik befassen sich unter anderem der Fachbereich Energie- und Umwelttechnik des Vereins Deutscher Ingenieure (VDI), die International Energy Agency (IEA), unter anderem mit dem World Energy Outlook, sowie die U.S. Energy Information Administration (EIA).

Da das Fach sehr weit gefächert ist, bieten nur wenige Universitäten und Fachhochschulen integrierte Studiengänge für das gesamte Gebiet an. Meist wird Energietechnik als Vertiefungsrichtung innerhalb angrenzender Fächer wie Elektrotechnik, Maschinenbau oder Verfahrenstechnik studiert. Vergleichbares gilt für Ausbildungsberufe im Bereich Energietechnik.