Was sind die wichtigsten Energiequellen der Erde?

Es braucht viel Energie, um eine Spezies wie zu ernähren Homo sapiens. In den letzten Jahrhunderten hat sich diese Art zu einer vernetzten globalen Präsenz auf eine Weise entwickelt, die nach Kenntnis der Wissenschaft noch nie zuvor auf dem Planeten aufgetreten ist.

Zu den Energiearten, die der Mensch benötigt, gehören Elektrizität, um seine Häuser und Industrien zu versorgen, biochemische Energie, um ihren Körper zu ernähren, und brennbare Ressourcen für Wärme, Transport und Industrie Produktion.

Im Großen und Ganzen hängt die Fähigkeit der Erde, das zu liefern, was der Mensch braucht, von fünf Hauptquellen ab:

• Die Sonne, dieser riesige Fusionsreaktor am Himmel, liefert Energie in der Größenordnung von Yottawatt (10²⁴ Watt) rund um die Uhr.
• Wasser, die nicht nur lebensnotwendig ist, sondern auch zur Energiegewinnung genutzt werden kann.
• Schwere, die mysteriöse Kraft, die Sterne erzeugt und zerstört, ist für die Gezeiten verantwortlich und verwandelt Wasser in eine Quelle umwandelbarer kinetischer Energie.
• Die Bewegungen der Erde schaffen tägliche und saisonale Temperaturunterschiede, die Winde und Meeresströmungen erzeugen, die in Elektrizität umgewandelt werden können.
• Radioaktivität ist der natürliche Zerfall schwerer Elemente in leichtere unter Freisetzung von Strahlung. Durch die Strahlung entsteht Wärme, die zur Stromerzeugung genutzt werden kann.

Darüber hinaus wird eine wichtige Energiequelle für den Menschen aus den zerfallenden Körpern von Organismen gewonnen, die im Laufe der Äonen gediehen und abgestorben sind. Im Gegensatz zu den oben aufgeführten Ressourcen ist dieses Angebot jedoch begrenzt.

Fossile Brennstoffe, zu denen Öl, Erdgas und Kohle gehören, sind eigentlich eine andere Form der Sonnenenergie. Vor Äonen wandelten lebende Organismen das Licht und die Wärme der Sonne in die kohlenstoffbasierten Moleküle um, die ihre Körper bildeten. Die Organismen starben und ihre Körper sanken tief in den Boden und auf den Grund der Ozeane. Heute kann die Energie, die in diesen Kohlenstoffbindungen eingeschlossen ist, freigesetzt werden, indem man die Überreste zurückholt und sie verbrennt.

Öl und Erdgas stammen aus mikroskopisch kleinem Meeresplankton, das vor Millionen von Jahren lebte. Sie starben und sanken auf den Grund der Ozeane, wo sie durch Zersetzung und andere chemische Prozesse in Wachs verwandelt wurden Kerogen und zögere Bitumen. Die Meeresböden trockneten schließlich aus, und diese Materialien wurden unter Gestein und Erde begraben. Sie sind zu den Rohstoffen für die Herstellung von Benzin, Dieselkraftstoff, Kerosin und einer Vielzahl anderer Erdölprodukte geworden.

Der traditionelle Weg, Rohöl aus dem Boden zu gewinnen, ist das Bohren, aber das Hydrofracking oder Fracking, hat sich zu einer viel genutzten modernen Alternative entwickelt. Dabei wird eine Mischung aus Sand, Wasser und potenziell gefährlichen Chemikalien in den Boden gepresst, um das Erdöl zu verdrängen. Fracking ist ein teures Verfahren und hat eine Reihe von schädlichen Auswirkungen auf das Grundgestein, den Grundwasserspiegel und die Umgebungsluft.

Kohle stammt aus Landpflanzen, die sich in Mooren und Sümpfen niederließen und zu Torf wurden. Der Torf verfestigte sich, als der Boden austrocknete, und wurde schließlich von Gesteinen und anderen Trümmern bedeckt. Der Druck verwandelte es in die schwarze, felsige Substanz, die in vielen Industrieanlagen und Kraftwerken verbrannt wurde. All dies begann vor etwa 300 Millionen Jahren, als Dinosaurier die Erde durchstreiften, aber im Gegensatz zu weit verbreiteten Mythen ist Kohle keine zersetzten Dinosaurier.

Seit Jahrtausenden nutzt der Mensch die Wasserkraft, um Arbeit zu verrichten, und in der Physik ist Arbeit gleichbedeutend mit Energie. Wasserräder, die in der Nähe eines Baches oder Wasserfalls platziert sind, haben die durch die Bewegung von Wasser erzeugte Energie genutzt, um Getreide zu mahlen, Getreide zu bewässern, Holz zu sägen und viele andere Aufgaben zu erledigen. Mit dem Aufkommen der Elektrizität wurden Wasserräder zu Kraftwerken.

Die Wasserturbine ist das Herzstück eines Wasserkraftwerks und funktioniert aufgrund des Phänomens der elektromagnetischen Induktion, das der Physiker Michael Faraday 1831 entdeckte. Faraday fand heraus, dass ein sich drehender Magnet in einer Spule oder einem leitenden Draht einen elektrischen Strom erzeugt in der Spule, und weniger als 100 Jahre später ging bei Niagara. der erste Induktionsgenerator ans Netz Stürze.

Heute liefern Wasserkraftwerke etwa 6 Prozent des weltweit verbrauchten Stroms. Die Verbrennung fossiler Brennstoffe zur Erzeugung von Dampf- und Spinturbinen erzeugt dagegen fast 60 Prozent des weltweiten Stroms. Die meiste Wasserkraft wird durch Dämme erzeugt, nicht durch Wasserfälle.

Ein Damm hängt wie ein Bach oder Wasserfall von der Schwerkraft ab. Das Wasser tritt in einen Durchgang an der Spitze des Damms ein, fließt durch ein Rohr, das seine Energie verstärkt und eine Turbine antreibt, bevor es in der Nähe der Basis des Damms austritt. Zwei der größten Wasserkraftwerke der Welt sind der Drei-Schluchten-Staudamm in China mit 22,5 Gigawatt Energie und der Itaipu-Staudamm an der Grenze zwischen Brasilien und Paraguay mit 14 GW. Der größte Staudamm in Nordamerika ist der Grand Coulee Dam im Bundesstaat Washington, der nur etwa 7 Megawatt erzeugt.

Die Ozeane sind aus zwei Gründen eine der wichtigsten Energieressourcen der Welt. Der erste ist, dass sie Strömungen haben, die in Verbindung mit den Winden Wellen bilden. Wellen können in Strom umgewandelt werden. Da sie das Ergebnis von Temperaturunterschieden sind, die durch die Hitze der Sonne verursacht werden, sind Wellen und die sie bildenden Strömungen technisch eine Form der Sonnenenergie.

Die andere Energiequelle in den Ozeanen sind die Gezeiten, die durch die Gravitationseinflüsse von Mond und Sonne sowie durch die Bewegungen der Erde selbst verursacht werden. Es gibt auch Technologien, um die Energie der Gezeiten in Elektrizität umzuwandeln.

Wellenkraftwerke sind noch nicht Mainstream, und der Prototyp, der vor der Küste Schottlands eingesetzt wurde, erzeugt nur 0,5 MW. Zu den verfügbaren Wellentechnologien gehören:

• Schwimmer und Bojen, die auf den Wellen steigen und fallen und mit hydraulischen Geräten Strom erzeugen.

• Oszillierende Wassersäulen, die Wasser in eine Kammer eindringen lassen und eingeschlossene Luft komprimieren, die dann eine Turbine dreht.

• Konische Kanalsysteme, die an Land gebunden sind. Sie leiten Wasser in erhöhte Stauseen, und wenn das Wasser fallen darf, dreht es eine Turbine.

Gezeitenkraftwerke können die Kraft der ein- und ausgehenden Gezeiten nutzen, um Turbinen direkt zu drehen. Wasser ist etwa 800-mal dichter als Luft. Wenn also eine Turbine auf dem Meeresboden platziert wird, erzeugen die Gezeitenbewegungen eine beträchtliche Kraft, um sie zu drehen. Gezeitensperrensysteme sind jedoch häufiger.

Ein Gezeitensperrwerk ist eine Barriere, die über einem Gezeitenbecken errichtet wird und das Wasser von der steigenden Flut eintreten lässt, dann schließt und den Abfluss bei Ebbe kontrolliert. Der größte derartige Generator ist das Sihwa Lake Tidal Power Station in Südkorea. Es erzeugt etwa 254 MW.

Zwei der bekanntesten Möglichkeiten, Strom zu erzeugen, der nicht auf das Verschwinden fossiler Brennstoffe angewiesen ist und keine Umweltverschmutzung verursacht, sind Windturbinen oder Photovoltaikmodule. Da die Sonne für die Temperaturunterschiede verantwortlich ist, die Wind erzeugen, sind beides streng genommen Formen der Sonnenenergie.

Windgeneratoren funktionieren genauso wie Wasser- oder Wellenkraftwerke. Wenn der Wind weht, dreht er eine Welle, die über Zahnräder mit einer stromerzeugenden Induktionsturbine verbunden ist. Moderne Turbinen sind so kalibriert, dass sie Wechselstrom mit der gleichen Frequenz wie konventioneller Wechselstrom liefern und damit sofort einsatzbereit sind. Windparks auf der ganzen Welt liefern fast 5 Prozent des weltweiten Stroms.

Sonnenkollektoren basieren auf dem photovoltaischen Effekt, bei dem die Sonnenstrahlung eine Spannung in einem halbleitenden Material erzeugt. Die Spannung erzeugt Gleichstrom, der durch einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt werden muss. Sonnenkollektoren erzeugen nur dann Strom, wenn die Sonne scheint, daher werden sie oft zum Laden von Batterien verwendet, die den Strom für die spätere Verwendung speichern.

Sonnenkollektoren stellen vielleicht eine der zugänglichsten Methoden zur Stromerzeugung dar, aber sie liefern nur einen kleinen Bruchteil des weltweiten Stroms – weniger als 1 Prozent.

Streng genommen ist der Prozess der Kernspaltung kein natürlich vorkommendes Phänomen, sondern kommt aus der Natur. Die Kernspaltung wurde erfunden, kurz nachdem Wissenschaftler das Atom und das natürliche Phänomen der Radioaktivität verstehen konnten. Obwohl Kernspaltung ursprünglich zur Herstellung von Bomben verwendet wurde, ging das erste Atomkraftwerk nur drei Jahre nach der Explosion der ersten Bombe am Standort Trinity in der Wüste von New Mexico ans Netz.

In allen Kernkraftwerken der Welt finden kontrollierte Spaltungsreaktionen statt. Es erzeugt Wärme zum Kochen von Wasser, das den Dampf erzeugt, der zum Antrieb elektrischer Turbinen benötigt wird. Sobald eine Spaltungsreaktion beginnt, braucht sie nur wenig Brennstoff, um auf unbestimmte Zeit fortzufahren.

Fast 20 Prozent des weltweiten Strombedarfs werden durch Kernkraftwerke gedeckt. Ursprünglich als billige Quelle praktisch unbegrenzten Stroms angesehen, hat die Kernspaltung schwerwiegende Auswirkungen Nachteile, nicht zuletzt die Möglichkeit einer Kernschmelze und die unkontrollierte Freisetzung von schädlichen Strahlung. Zwei bekannte Unfälle, einer im russischen Kraftwerk Tschernobyl und einer im japanischen Fukushima haben diese Gefahren gebannt und die Atomstromproduktion weniger attraktiv gemacht als früher war.

Tief im Inneren der Erdkruste sind Drücke und Temperaturen so groß, dass sie Gestein zu geschmolzener Lava verflüssigen. Dieses überhitzte Material fließt durch Adern in der Kruste, die es gelegentlich in die Nähe der Oberfläche führen. Gemeinden in Gebieten, in denen dies geschieht, können die Wärme zur Stromerzeugung und zur Wärmeversorgung ihrer Wohnungen nutzen. Dies wird als Geothermie bezeichnet und wird in einigen Fällen durch radioaktive Stoffe im Boden ergänzt, die auch Wärme erzeugen.

Um die Geothermie zu nutzen, bohren die Entwickler an geeigneter Stelle einen Tunnel in die Erde und lassen Wasser durch den Tunnel zirkulieren. Das erhitzte Wasser kommt als Dampf an die Oberfläche, wo es direkt zum Heizen oder zum Drehen einer Turbine verwendet werden kann. In einigen Fällen wird die Wärme vom Wasser auf eine andere Substanz mit niedrigerem Siedepunkt wie Isobutan übertragen und der entstehende Dampf treibt die Turbinen an.

In ihrer einfachsten Form bietet Geothermie Heilung und Komfort in natürlichen Spas und heißen Quellen, seit es Menschen gibt, die sie besuchen. Japan ist eines der geologisch aktivsten Länder der Welt und verfügt über ein großes Netzwerk natürlicher heißer Quellen und eine lange Geschichte des Einweichens. Experten schätzen, dass es über genügend geothermische Ressourcen verfügt, um bis zu 10 Prozent seines Stroms zu decken Bedarf und macht sein geothermisches Potenzial weltweit an dritter Stelle, hinter den Vereinigten Staaten und Indonesien.

Einige Ressourcen sind zerbrechlich und verschwinden, und ihre Umwandlung in nutzbare Energie erzeugt Schadstoffe, die die planetare Umwelt verändern. Andere Ressourcen hängen nur von der solaren und planetarischen Dynamik ab, die verspricht, für die nächsten paar Milliarden Jahre unverändert zu bleiben. Im gegenwärtigen Moment muss die Menschheit eine dringende Entscheidung treffen. Sein Überleben kann von seiner Fähigkeit abhängen, in kurzer Zeit seine Abhängigkeit vom ersteren auf das letztere umzustellen.