21. Jun 2016

Die Geschichte der Energie

Lange bevor sich auf der Erde Leben entwickeln konnte, bewegte sie sich durch einen elektromagnetischen Strahlungsfluss, der seinen Ursprung in thermonuklearen Reaktionen der Sonne hat. Die radikalste Energierevolution erfand das Leben lange vor dem Menschen. 

Die ersten Lebewesen

Cyanobakterien (Blaualgen) nutzen als erste Lebewesen vor ca. 3,5 Milliarden Jahren im Wasser des Urozeans das Sonnenlicht. Sie decken Ihren Bedarf an Energie und Kohlenstoff durch Photosynthese und entzogen der Atmosphäre durch diese Reaktion über etwa 2 Jahrmilliarden beinahe das ganze Kohlendioxid (CO2).  Aus CO2 und Wasser wurde Glukose als Energiespeicher hergestellt und Sauerstoff als Abfallprodukt freigesetzt.

 

Was waren die Folgen?

Der freigesetzte Sauerstoff (O2) war für die Blaualgen giftig. O2oxidierte zuerst das metallische Eisen in den Ozeanen, dann die Erdkruste. O2 reicherte die sauerstofflose Gashülle der Erde an und ermöglichte es dem Leben, die Erde außerhalb des schützenden Wassers zu besiedeln, weil eine besondere Sauerstoffverbindung, das Ozon, die tödliche kurzwellige elektromagnetische Strahlung der Sonne abschirmte – die Treibhausgaswirkung von CO2 verschwand und die Erde vereiste.

 

Energierevolutionen

  • Die Photosynthese ist trotz aller menschlichen Aktivitäten bis zum heutigen Tag die bedeutendste Energieumwandlung auf der Erde. Die Blaualgen veränderten mit der irdischen Atmosphäre auch das Klima der Erde radikal.
  • Die zweite war der, als „Neolithische Revolution“ bezeichnete, Ursprung des Ackerbaus, der Übergang vom Jäger und Sammlertum zur Sesshaftigkeit und die Domestikation von Tieren; sie begann vor 10.000 bis 7.000 Jahren und zog sich über Jahrtausende (ein starkes Pferd oder ein Ochse verzehnfachte die Leistungskraft des Menschen).
  • Die dritte große Energierevolution führte von der Verbrennung der Biomasse Holz (wurde ausschließlich zur Wärmegewinnung genutzt) zur Verbrennung fossilerEnergieträger, also der Nutzung von Kohle, Erdöl und Erdgas.

 

Das Maß für Energie

  • 1 Joule [J] = 1 Wattsekunde [Ws] = 1 VAs = 1 Nm = 1 kg m2/s2
  • Die Energieeinheiten und die elektrische Leistung Watt haben als Faktoren: Kilo (k = 103), Mega (M = 106), Giga (G = 109), Tera (T = 1012), Peta (P = 1015), Exa (E = 1018).
  • Leistung ist Energie geteilt durch die Zeit und hat die nach James Watt benannte Einheit Watt.
  • Einige Energieeinheiten entstehen aus der Leistung durch Multiplikation mit Sekunde [s], Stunde [h] oder Jahr [a].

 

Beispiele für benötigte Energie

  • Mit 1 J kann man auf der Erde einen 102 g schweren Apfel um 1m anheben
  • 1 kWh = 3,6 MJ. Mit 1 kWh kann man etwa 10 Liter Wasser von 20°C auf den Siedepunkt erhitzen.
  • Die Verbrennung von 1 kg Steinkohle erzeugt die gleiche Wärme wie die Heizung mit ca. 8 kWh.
  • Ein Jahr lang mit 1 kW heizen (1kWa) gleicht der Verbrennung von ca. 0,75 Tonnen Rohöl.

 

Das Leistungsvermögen des Menschen

  • Dauerhafte mechanische Leistung von 60 bis 100 Watt (ca. 1 Watt pro kg Körpermasse)
  • Nach 10 Stunden Arbeit (angen. 100 Watt) resultiert das in einer Arbeit (Energiemenge) von einer Kilowattstunde
  • Um gekochte Nahrung zu kauen, benötigt der Mensch nur fünf Prozent der Zeit von roher Nahrung (= Zeit für alternative Aktivitäten)
  • Die eine Kilowattstunde (kWh), die der Mensch an einem Tage Plackerei zu arbeiten im Stande ist, findet sich als Primärenergie in ungefähr einem viertel Kilogramm trockenen Holz

 

Täglicher Energiebedarf des Menschen

  • Pro Tag braucht der Mensch seit jeher etwa 3 kWh für Nahrung und noch 3 kWh für Heizung.
  • In Europa waren die Menschen des Mittelalters bereits gut gekleidet und bauten große Häuser. Dafür brauchten sie 24 kWh.
  • Von den heutigen 150 kWh pro Tag entfallen nur 6 kWh auf reine Nahrung, aber mehr als 12 kWh auf deren Transport und Zubereitung.
  • Im Jahr 2006 liegt der durchschnittliche tägliche Energieverbrauch in Indien bei 12 kWh und in den USA bei 268 kWh, der Weltdurchschnitt bei 58 kWh.

 

Eine Zeitreise der Energienutzung

5000 v.Chr. – in Mesopotamien werden erstmals Wasserräder zum Schöpfen von Wasser  eingesetzt

  • 3200 v.Chr. – im heutigen Irak wird das Rad erfunden
  • 2000 v.Chr. – in Ägypten werden von Pferden gezogene Wagen eingesetzt
  • 600 v.Chr. – erste Windmühlen im Iran
  • 100  v.Chr. – in China wird Kohle zum Heizen von Gebäuden eingesetzt
  • 1000 – Wasser- und später Windräder erleichtern in Europa zunehmend  die Arbeit
  • 1500 – in den wachsenden Städten wird Holz knapp. Es wird vermehrt Kohle für Heizzwecke eingesetzt
  • 1769 – der  Schotte James Watt erfindet  die stark verbesserte  Dampfmaschine mit separatem Kondensator (Einleitung Industrialisierung)
  • 1770 – Fabriken werden mit Wasserrädern angetrieben
  • 1800 – Allesandro Volta erfindet die elektrische Energie (Voraussetzung für Bau von Telegrafen)
  • 1805 – englische Städte werden mit Kohlengas beleuchtet
  • 1859 – der Amerikaner Drake stößt bei seinen Bohrungen in Pennsylvania erfolgreich auf größere Erdölvorkommen (Petroleum für Beleuchtung)
  • 1876  Erfindung  des Ottomotors, etwa 15 Jahre später  erfindet Rudolf  Diesel den Dieselmotor
  • 1879 – Glühbirne (Thomas  Edison)

 

Entwicklung der CO2-Konzentration

CO2 ist ein wesentliches Treibhausgas und forciert maßgeblich die Erderwärmung (bei Zwei-Grad-Erwärmungsziel - CO2 < 450 ppm). Die Messwerte wurden im Jahresverlauf in Mauna Loa (Hawaii – Start 1979-2014) und am Südpol (Eis) erfasst. In diesem Zusammenhang ist auch die Temperaturentwicklung zu sehen.

  • 800.000 Jahre schwankte die Konzentration zwischen 185 ppm und 278 ppm
  • Um ca. 300.000 Jahre vor Christus lag der Spitzenwert bei 300 ppm
  • Unsere Zeitreise begann 1979 bei 335 ppm und schaffte es in 35 Jahren auf 400 ppm
  • Start 1900: 300 ppm bis 2000: 370 ppm (70 ppm in 100 Jahren)

 

Video: Time history of atmospheric carbon dioxide, by CIRES & NOAA (Youtube)

Video: NASA | Temperature Data: 1880-2011 (Youtube)

 

Wissenswertes

  • Das Jahr 2015 war global das wärmste Jahr seit Beginn der Aufzeichnungen im Jahr 1880. Es war das 39. Jahr in Folge, in dem die globalen Temperaturen über dem Durchschnitt lagen. Weltweit lagen fünfzehn der sechzehn wärmsten Jahre im 21. Jahrhundert.
  • Die CO2-Emissionen steigen von 9.453 Megatonnen im Jahr 1961 auf die etwa vierfache Menge von 36.131 Mt im Jahr 2013.
  • Im November 1965, also vor 50 Jahren, erhielt der damalige Präsident der Vereinigten Staaten, Lyndon B. Johnson von seinem wissenschaftlichen Beirat einen Bericht, in dem die US-Regierung erstmals vor den Folgen einer zu erwartenden globalen Erwärmung gewarnt wurde.
  • Von den ca. 7,2 Mrd. Menschen haben ca. 1,3 Mrd. keinen Zugang zu elektr. Energie – in Indien allein 300 Millionen.
  • Der Großteil der Energietechnologien sind zwischen 1867 und 1914 entdeckt, entwickelt, erfunden oder entscheidend verbessert worden.
  • Die Strahlungsleistung der Sonne (sonnenzugewandte Außenseite) beträgt ca. 174 PW – das ergibt im Jahr 5,5 Mio EJ.
  • Der Energieverbrauch der Menschheit betrug 2011 dazu bescheidene 547 EJ.

 

Klimawandel und politische Konflikte

Wie die Erderwärmung politische Konflikte befeuert, erklärt Klimaforscher StefanRahmstorf im Interview mit der Frankfurter Rundschau.

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Herr Ing. Wolfgang Hackenauer, MSc

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