Energieträger
Stoff, dessen Energiegehalt für Energieumwandlungsprozesse nutzbar ist
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Ein Energieträger ist ein Stoff, Material oder ein Phänomen, das Energie in einer Form enthält, die in andere Formen wie mechanische Arbeit, Wärmeenergie oder elektrische Energie umgewandelt werden kann.[1] Kurz: Energie kann nicht erzeugt werden, sondern nur umgewandelt. Dennoch spricht man häufig von einer „Stromproduktion“, weil damit gemeint ist, dass elektrischer Strom in großen Mengen hergestellt wird.
Energieträger unterscheiden sich in ihren physikalischen und chemischen Materialeigenschaften, Energiedichte, der Transport- und Lagerfähigkeit sowie im Aufwand und Wirkungsgrad ihrer Nutzung. Sie können flüssig, gasförmig oder fest vorliegen oder werden in den einen oder andere Aggregatszustand umgewandelt, z. B. zum Transport, wie bei Erdgas als LNG.
Häufig wird dabei ein Energieträger bzw. dessen Energieform umgewandelt, z. B. von thermische Energie in elektrische Energie. Praktisch geschieht dies meist über einen thermodynamischen Kreisprozess in elektrischem Strom. In anderen Fällen geschieht es direkt, z. B. bei Strahlungsenergie aus dem Spektrum des Lichts (Solarstrahlung) in elektrische Energie, durch eine Solarzelle (vgl. photoelektrischen Effekt).
Die Umsetzung von Primärenergie zu Strom geschieht großtechnisch in Kraftwerken, z. B. Kohle-, Gas- oder Kernkraftwerken. Zu den seit Jahrzehnten genutzten Kreisprozessen gehören dazu:
- der Clausius-Rankine-Kreisprozess für Kohle- und Kernkraftwerken;
- der Brayton oder Joule-Zyklus[2][3] (vgl. auch Joule-Thompson-Effekt), bei Gasturbinen bzw. Gaskraftwerken (vgl. auch Gas- und Dampfkraftwerke).
Eine entscheidende Komponente des Systems Kraftwerk ist dabei der Turbosatz.
Weitere Begriffe in dem Umfeld Energieträger ist die Nutzenergie und Endenergie.
Aufteilung
Als Primär- oder Rohenergieträger bezeichnet man Energieträger, die in der Natur zu finden sind. Dazu zählen insbesondere die fossilen Brennstoffe und auch die Actinoide Uran oder Plutonium. Sekundäre Energieträger werden durch Umwandlung von Primärenergie gewonnen oder aufgeladen (Speicherung).[4]
Akkumulatoren als Speicher sind jedoch nur für einzelne Systeme oder Geräte sinnvoll, nicht für die dauerhafte Speicherung größerer Mengen elektrischer Energie. Die bekannten, jedoch begrenzten Alternativen sind die Speicherung von Lageenergie in Speicherkraftwerken. Seit etwa den 2010er Jahren gibt es auch vereinzelte Batteriespeicherkraftwerke, da die Lithium-Ionen-Batterietechnologie massenhaft verfügbar geworden ist.
Typische Energieträger
Primäre Energieträger
- Erneuerbare Energien (EE) wie Sonnenenergie, Biomasse, Windenergie, Wasserkraft
- Fett, Kohlenhydrate und Proteine in der Nahrung
- Fossile Energieträger: Erdöl, Kohle und Erdgas
- Kernbrennstoffe wie Uran und Plutonium (genauer: deren spaltbare Isotope oder die Spaltstoffe); die Energieform ist Wärmeenergie (aus kinetischer Energie der Spaltfragmente)
Sekundäre Energieträger
- Adenosintriphosphat
- Druckluft (Gas allgemein)
- Ethanol aus der Vergärung von Biomasse
- Glucose aus dem Energiespeicher Glykogen
- Kraftstoffe (Treibstoffe) aus der Erdölraffinerie
- Methanol[5][6]
- Wasserstoff (H2)
Beim Wasserstoff unterscheidet man konventionell gewonnenen Wasserstoff (d. h. aus Erdgas und dem Prozess der Erdgas-Reformierung, einer der Hauptproduktionsprozesse – 70 % der globalen Produktion[7], 90 % in den USA[8]) und den grüne Wasserstoff.[9][10] Letzterer ist ein sekundärer Energieträger und entsteht erst durch Umwandlung (Elektrolyse) erneuerbarer Primärenergie (im „grünen“ Falle nur Wind- oder Solarenergie). Auch natürlicher Wasserstoff existiert und zählt zu den primären Energieträgern, spielt für die großtechnische Verwendung jedoch eine untergeordnete Rolle.
Andere Stoffe, die chemische Energie bereithalten, sind die Energetischen Materialien, also Sprengstoffe (Sprengmittel) und Explosivstoffe.
Energiedichte
Auf die Masse bezogen:[11]
- Wasserstoff: 33,3 kWh/kg
- Erdgas: 13,9 kWh/kg
- Benzin: 12,7 kWh/kg
Auf das Volumen bezogen:
- Benzin: 8760 kWh/m³
- Erdgas (20 MPa): 2580 kWh/m³
- Wasserstoff (flüssig): 2360 kWh/m³
- Wasserstoffgas (20 MPa): 530 kWh/m³
- Wasserstoffgas (Normaldruck): 3 kWh/m³
| Stoff bzw. Energieform | Energiedichte in MJ/kg | Produkte und Derivate |
|---|---|---|
| Holz | 13–20 | Schnittholz, Pellets, Papier |
| Braunkohle | 28,47 | Brikett, Braunkohlekoks |
| Steinkohle | 30 | Kesselkohle, Koks |
| Erdöl (roh) | 42,8[12] | Benzin, Heizöl, Kerosin, Diesel, Bitumen, Kunststoffe |
| Erdgas | 30–50 | Stadtgas, Autogas |
| Pflanzenöl | 36 | RME (z. B. Rapsmethylester) |
Literatur
- Douglas M. Considine (Hrsg.): Energy Technology Handbook (= McGraw-Hill Handbooks). McGraw-Hill Book Company, New York 1977 (englisch, archive.org).
- Walter L. Borst: Essentials of Energy Technology: Sources, Transport, Storage, Conservation. John Wiley & Sons, Weinheim 2014, ISBN 978-3-527-33416-2 (englisch, wiley-vch.de).
- Dietrich Pelte: Die Zukunft unserer Energieversorgung. Springer Fachmedien Wiesbaden, Wiesbaden 2014, ISBN 978-3-658-05814-2, doi:10.1007/978-3-658-05815-9.
- Martin Wietschel, Sandra Ullrich, Peter Markewitz, Friedrich Schulte, Fabio Genoese (Hrsg.): Energietechnologien der Zukunft. Springer Fachmedien Wiesbaden, Wiesbaden 2015, ISBN 978-3-658-07128-8, doi:10.1007/978-3-658-07129-5.
- Ulrich Blum, Eberhard Rosenthal, Bernd Diekmann: Energie – Grundlagen für Ingenieure und Naturwissenschaftler: Machbarkeiten, Grenzen und Umweltauswirkungen. Springer Fachmedien Wiesbaden, Wiesbaden 2020, ISBN 978-3-658-26932-6, doi:10.1007/978-3-658-26933-3.
- Richard Zahoransky (Hrsg.): Energietechnik: Systeme zur konventionellen und erneuerbaren Energieumwandlung. Kompaktwissen für Studium und Beruf. Springer Fachmedien Wiesbaden, Wiesbaden 2022, ISBN 978-3-658-34830-4, doi:10.1007/978-3-658-34831-1.
- Adolf J. Schwab: Elektroenergiesysteme: Smarte Stromversorgung im Zeitalter der Energiewende. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 2022, ISBN 978-3-662-64773-8, doi:10.1007/978-3-662-64774-5.
Weblinks
- Literatur von und über Energieträger im Katalog der Deutschen Nationalbibliothek