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Energieträger
Ein Energieträger ist ein Stoff, Material oder ein Phänomen, das Energie in einer Form enthält, die in andere Formen wie mechanische Arbeit, …
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Begriff und Umwandlung von Energie
Ein Energieträger ist ein Stoff, ein Material oder ein Phänomen, das Energie in einer Form enthält, die in andere Formen umgewandelt werden kann. Dazu gehören beispielsweise mechanische Arbeit, Wärmeenergie und elektrische Energie. Nach dem Energieerhaltungssatz kann Energie nicht erzeugt, sondern nur umgewandelt werden. Der Ausdruck „Stromproduktion“ bezeichnet daher eigentlich die Herstellung elektrischer Energie in großen Mengen.
Energieträger unterscheiden sich unter anderem durch ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften, ihre Energiedichte sowie ihre Transport- und Lagerfähigkeit. Auch der Aufwand und der Wirkungsgrad ihrer Nutzung sind unterschiedlich. Energieträger können fest, flüssig oder gasförmig sein; für Transport und Speicherung kann ein Stoff in einen anderen Aggregatzustand überführt werden, etwa Erdgas zu verflüssigtem Erdgas (LNG).
Bei der Nutzung wird häufig eine Energieform in eine andere umgewandelt, zum Beispiel thermische Energie in elektrische Energie. Großtechnisch geschieht dies meist über einen thermodynamischen Kreisprozess. In Kraftwerken wird Primärenergie beispielsweise in Kohle-, Gas- oder Kernkraftwerken zunächst in Wärme und anschließend in elektrische Energie umgewandelt. Für Kohle- und Kernkraftwerke wird der Clausius-Rankine-Kreisprozess genutzt. Gasturbinen und Gaskraftwerke arbeiten mit dem Brayton- oder Joule-Zyklus; im Zusammenhang damit wird auch der Joule-Thomson-Effekt genannt. Eine entscheidende Komponente eines Kraftwerks ist der Turbosatz.
Manche Umwandlungen erfolgen direkt. Solarzellen wandeln beispielsweise Strahlungsenergie aus dem Lichtspektrum, also Solarstrahlung, in elektrische Energie um. Dabei wird auf den photoelektrischen Effekt verwiesen. Im Umfeld der Energieträger stehen außerdem die Begriffe Nutzenergie und Endenergie.
Primäre und sekundäre Energieträger
Primäre oder Rohenergieträger kommen in der Natur vor. Dazu zählen insbesondere fossile Brennstoffe sowie die Actinoide Uran und Plutonium. Sekundäre Energieträger entstehen dagegen durch die Umwandlung von Primärenergie oder durch das Aufladen beziehungsweise Speichern von Energie.
Akkumulatoren eignen sich als Speicher vor allem für einzelne Systeme oder Geräte. Für die dauerhafte Speicherung großer Mengen elektrischer Energie sind sie nur eingeschränkt geeignet. Als bekannte, aber begrenzte Möglichkeit gilt die Speicherung von Lageenergie in Speicherkraftwerken. Seit etwa den 2010er Jahren gibt es außerdem vereinzelte Batteriespeicherkraftwerke, weil Lithium-Ionen-Batterien massenhaft verfügbar geworden sind.
Typische primäre Energieträger
Zu den erneuerbaren Energien zählen Sonnenenergie, Biomasse, Windenergie und Wasserkraft. Auch die in Lebensmitteln enthaltene chemische Energie von Fett, Kohlenhydraten und Proteinen ist ein Beispiel für einen primären Energieträger.
Fossile Energieträger sind Erdöl, Kohle und Erdgas. Zu den Kernbrennstoffen gehören Uran und Plutonium, genauer ihre spaltbaren Isotope beziehungsweise Spaltstoffe. Bei der Kernspaltung entsteht als Energieform Wärmeenergie. Diese stammt aus der kinetischen Energie der Spaltfragmente.
Typische sekundäre Energieträger
Beispiele für sekundäre Energieträger sind Adenosintriphosphat, Druckluft, Ethanol aus der Vergärung von Biomasse, Glucose aus dem Energiespeicher Glykogen, Kraftstoffe aus der Erdölraffinerie, Methanol und Wasserstoff (H₂).
Beim Wasserstoff wird konventionell gewonnener Wasserstoff von grünem Wasserstoff unterschieden. Konventioneller Wasserstoff wird aus Erdgas durch Erdgas-Reformierung hergestellt. Dieser Prozess stellt 70 % der globalen Produktion und 90 % der Produktion in den USA bereit. Grüner Wasserstoff entsteht erst durch Elektrolyse erneuerbarer Primärenergie; im „grünen“ Fall wird dafür nur Wind- oder Solarenergie verwendet. Natürlich vorkommender Wasserstoff existiert ebenfalls und zählt zu den primären Energieträgern, spielt für die großtechnische Nutzung jedoch eine untergeordnete Rolle.
Weitere Stoffe, die chemische Energie speichern, sind energetische Materialien. Dazu gehören Sprengstoffe, Sprengmittel und Explosivstoffe.
Energiedichte und Beispiele
Die Energiedichte beschreibt, wie viel Energie ein Energieträger bezogen auf seine Masse oder sein Volumen enthält. Die im Artikel genannten Angaben sind teilweise nicht ausreichend belegt.
Auf die Masse bezogen gelten folgende Werte:
- Wasserstoff: 33,3 kWh/kg
- Erdgas: 13,9 kWh/kg
- Benzin: 12,7 kWh/kg
Auf das Volumen bezogen werden folgende Werte genannt:
- Benzin: 8760 kWh/m³
- Erdgas bei 20 MPa: 2580 kWh/m³
- Flüssiger Wasserstoff: 2360 kWh/m³
- Wasserstoffgas bei 20 MPa: 530 kWh/m³
- Wasserstoffgas bei Normaldruck: 3 kWh/m³
Weitere Energiedichten werden in MJ/kg angegeben: Holz besitzt 13–20 MJ/kg, Braunkohle 28,47 MJ/kg, Steinkohle 30 MJ/kg, Rohöl 42,8 MJ/kg, Erdgas 30–50 MJ/kg und Pflanzenöl 36 MJ/kg. Aus diesen Stoffen oder ihren Derivaten entstehen unter anderem Schnittholz, Pellets, Papier, Briketts, Braunkohlekoks, Kesselkohle, Koks, Benzin, Heizöl, Kerosin, Diesel, Bitumen, Kunststoffe, Stadtgas, Autogas und RME, beispielsweise Rapsmethylester.
