Energie

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Anschaulich kann Energie beschrieben werden als die (prinzipielle) Fähigkeit eines Systems, (Nutz-)ArbeitWikipedia-logo.png zu leisten. Dabei muss man unterscheiden zwischen gerichteten und ungerichteten (diffusen) Energieformen.

Inhaltsverzeichnis

Aktuelles

noch immer aktuell

Strom für viele, aber Lebensgefahr für Anwohner: Aus dem Kivu-SeeWikipedia-logo.png im Herzen Afrikas wird Methan gefördert - noch testweise, bald industriell. Wissenschaftler warnen vor einem Inferno.
... weil Energieeffizienz- und Energiesparprogramme weltweit scheitern.
→ GadApedia/Energetische Amortisationszeit (von Solarenergie und Windenergie)
Wohnhäuser und Bürogebäude in der Europäischen Union müssen ab 2020 strenge Vorschriften zum Energiesparen erfüllen. Alle neuen Gebäude müssen dann so gebaut werden, dass sie nahezu ebensoviel Energie erzeugen wie sie verbrauchen.

Wissenschaftsjahr 2010

Energievernutzung und Klimawandel

Zitat: [...] Wachstumsorientierte Wirtschaftsweise [...] Es stellt sich uns doch heute die drängende Frage: Wie muß eine Wirtschaft gestaltet werden, damit nicht automatisch die Reichen reicher und die Armen ärmer werden, sondern vielmehr alles einem fairen Ausgleich zustrebt? Und dann vor allem auch die entscheidende Frage: Wie muß eine Wirtschaft gestaltet werden, um langfristig die Mitwelt, in die wir allesamt mit unserem biologischen, wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Leben eingebettet sind, nicht für uns Menschen lebensbedrohend zu beschädigen? [...]
  1. Volker Pispers (WDR, "Mitternachtsspitzen"): Klimawandel oder Wirtschaftswachstum? (Video)
Nach US-Klimaforschern ist hingegen ein Drittel der in den 90er Jahren gestiegenen globalen Temperaturen auf mehr Wasserdampf zurückzuführen.
Die kapitalistische Wachstumslogik zu überwinden ist für viele Teilnehmer des Weltsozialforums ein Ziel. Dies zu erreichen könnte an der Wachstumsfixierung einiger Regierungen scheitern.

Fossile Energiereserven / Peak Oil

Katastrophale Kettenreaktionen: Das "Dezernat Zukunftsanalyse" eines Bundeswehrzentrums stellt sich die Folgen des Peak OilWikipedia-logo.png vor. - Wie wird sich die von Industriestaaten dominierte Welt verändern, wie Deutschland, wenn die Ölreserven ausgehen? Über Peak Oil und die Folgen, Kriege über Ressourcen ist schon viel geschrieben worden; der Spiegel [...] hat nun Anfang der Woche auf ein Strategiepapier des Zentrums für Transformation der Bundeswehr hingewiesen, das eigentlich nicht zur Veröffentlichung gedacht war. [...]
→ #SoWi / Politik → Deutscher Bundestag: BT-Drs. 14/9400 → Gefahr von Instabilitäten in Energielieferländern und -regionen
→ Soziale Frage als politische Frage#Wirtschaft
"Die fossilen Energiereserven der Welt steuerten auf ihr Ende zu: „Deutschland wird deshalb in den nächsten 25 Jahren mehr Veränderungen erleben, als im vergangenen Jahrhundert zusammen“, prognostiziert Dennis Meadows."

Peak Coal

[...] Erst kürzlich hat das US-Magazin National Geographic auf seiner Internetseite von einer neuen Studie über die Reichweite der weltweiten Kohlevorräte berichtet. Die Autoren sind zu dem Schluss gekommen, dass "Peak Coal", also der Förderhöhepunkt der Kohle schon im nächsten Jahr erreicht sein könnte. Bis zur Mitte des Jahrhunderts würde die Produktion auf die Hälfte des heutigen Niveaus zurückgehen. [...]

* Wolfgang Pomrehn (tp/blogs vom 17.09.2010): Investitionsruinen?

Wer soll eigentlich den ganzen Strom verbrauchen, wenn neue Kohlekraftwerke, Windräder und Solaranlagen gebaut werden und dann noch die AKWs länger laufen.

Weltenergiekonferenz

Elektrisches Licht ist in Europa selbstverständlich - in Afrika nicht. Nur 20 Prozent der Menschen dort haben Zugang zu Strom, entsprechend dunkel sieht der Kontinent aus dem All aus. Energiearmut gilt als ein Schlüsselproblem Afrikas. Die Weltenergiekonferenz sucht nach Lösungen.
→ Zukunftskompetenz

Epochen der Primärenergieträger

Die wirtschaftliche Nutzung der Primärenergiequellen hat sich im Laufe der Menschheitsgeschichte in charakteristischer Weise geändert und kennzeichnet Epochen der ökonomischen und sozialen Entwicklung der Menschheit:[1]

Vorindustrielle Zeit
(man bezeichnet diese Epoche auch als 1. Solare Zivilisation)[2]
Epoche der regenerativen Energiequellen:
Holz[3] [4], Holzkohle, Torf, Tierdung, Wind und Wasserkraft
Die Epochen des Industriezeitalters[1] [5]
Erste Industrielle Revolution
(ab ca. 1750)
Epoche der Kohle; Erfindung der Dampfmaschine (1712 von Th. Newcomen; Optimierung durch J. Watt 1769);
Trennung von Produktions- und Wohnstätte[6] (erfordert "Mobilität" der Arbeitnehmer!)
Zweite Industrielle Revolution
(ab ca. 1890)
Epoche der flüssigen und gasförmigen Kohlenwasserstoffe; Zeitalter der Elektrifizierung
  • von 1895 bis 1914 hat sich der Primärenergieverbrauch mehr als verdoppelt.
    1. Weltkrieg, Weltwirtschaftskrise, 2. Weltkrieg → langsames Wachstum
  • von 1950 bis 1980 hat sich der Primärenergiebedarf verdreifacht.
Dritte industrielle Revolution
(ab ca. 1975)
Übergang zu einer neuen Epoche der regenerativen Energien
z. Bsp.: Bioenergie ("nachwachsende Rohstoffe", Biomasse); Windkrafträder; Solarzellen, Photovoltaikanlagen.

Unterricht

Elementares Basiswissen

Intensität einer Strahlungsquelle

→ Optik/Unterrichtsreihe Licht#Vom Lichtbündel zum Lichtstrahl
Maehnrot.jpg
Merke:
Die Intensität I
fällt mit der Entfernung von der Quelle r
reziprok-quadratisch nach dem AbstandsgesetzWikipedia-logo.png (also mit 1/r2).

I(r) = \frac{P}{4 \pi r^2} \,.
Stift.gif   Aufgabe

Es gilt:      I = 1/r²

Eine andere Schreibweise,
die zudem die Formulierung der Steigungsfunktion ("1. Ableitung") erleichert:    I = r -2

Gegeben ist die IntensitätWikipedia-logo.png einer Strahlungsquelle mit:

  • I = 100 Watt / m²

Gegeben ist ferner der Abstand mit

  • r 1 = 3 m
  • r 2 = 5 m
  1. Berechne I für r 1 und r 2.
  2. Erstelle eine graphische Abbildung der Funktion I = f (r)
I = 1/r²
Nuvola apps edu miscellaneous.png   Unterrichtsidee
(Text)
Nuvola apps edu science.png   Versuch
  1. Befestige einen "Punktstrahler" (eine Tachenlampen-Glühbirne mit einer LeistungWikipedia-logo.png von 3 Watt) an einer Stativ-Stange.
  2. Stell in einem Abstand von 2 Metern ein zweites Stativ auf.
  3. Befestige an diesem Stativ ein Pendel, das einen LichtsensorWikipedia-logo.png trägt.
  4. Stell das Pendel auf SchwingungsdauerWikipedia-logo.png von 1 min ein.
  5. Im Verlauf dieser Periode soll sich der Lichtsensor um eine maximale Auslenkung - vgl. (AmplitudeWikipedia-logo.png - jeweils von 0,5 m auf die Strahlungsquelle zu- bzw. von dieser Strahlungsquelle wegbewegen.
  6. Zeichne die vom LichtsensorWikipedia-logo.png registrierten Veränderungen mithilfe eines PlottersWikipedia-logo.png auf.
  • ...


Nuvola apps edu science.png   Versuch
  1. Stell eine Stativstange auf einen Schlitten, der mit gleichförmiger Geschwindigkeit v in einem Abstand rM - parallel - zu einer Wärmequelle (z. B. "Heizköper") bewegt wird.
  2. Befestige an beiden Enden eines Stabes mit der Länge l = 10 cm jeweils einen WämesensorWikipedia-logo.png.
  3. An der - auf dem Schlitten befindlichen - Stativstange wird anschließend diese Mess"vorrichtung" - genau in der Mitte - mit einem Pendel verbunden - und zwar in der Weise, dass jeweils abwechselnd ein Wämesensor sich auf die Wärmequelle zubewegt, während - gleichzeitig - der andere Wärmesensor sich genau in die entgegengesetzte Richtung, also von der Wärmequelle wegbewegt.
  4. Zeichne die von - beiden - WärmesensorenWikipedia-logo.png registrierten Veränderungen mithilfe eines PlottersWikipedia-logo.png auf.
  • Wiederhole den Versuch, nachdem Du einen der beiden Wärmesensoren mit einer dünnen Schicht (Folie) aus folgenden Materialien bestückt hast:
    1. ... (spez. WärmekapazitätWikipedia-logo.png = ...)
    2. ...
    3. ...
(Text)
  • ...

Abstand eines Planeten zur Sonne

Stift.gif   Aufgabe

In einem Erdkundebuch findest Du über die Laufbahn eines Planeten folgende Angaben:

  • sonnennächster Punkt: ca. 147 Millionen Kilometer Abstand zur Sonne
  • sonnenfernster Punkt: ca. 152 Millionen Kilometer Abstand zur Sonne


Fragezeichen.gif   Frage

Um welchen Planeten handelt es sich?



Erstelle eine Grafik ähnlich der folgenden Abbildung
Abstand eines Planeten zur Sonne.jpg


Fragezeichen.gif   Frage

Welche physikalische Begründung für die "milde Temperatur" in den Jahreszeiten

  1. Frühling bzw.
  2. Herbst

kannst Du aus der Grafik erkennen?

  • Trag in die Grafik
    bitte folgende Werte und Daten ein:
 
Abstand r2 Abstand r1
Klimatische Verhältnisse
Nordhalbkugel (NH) Südhalbkugel (SH)
  1. Datum (Monat des Jahres)
  2. ...
  1. ...
  2. ...
Jahreszeiten (SCHEMA
Abstand eines Planeten zur Sonne.jpg

Ein Gefühl für Energie

Einführung
Wenn wir am Urlaubsort (z. B.: London, Moskau oder New York) Lebensmittel oder Textilien erwerben (wollen), dann vergleichen wir in aller Regel die Preise: Ist diese oder jene Ware daheim teurer oder preisgünstiger? – Um diese Frage beantworten zu können, müssen wir den WechselkursWikipedia-logo.png der jeweiligen Landeswährungen kennen (beispielsweise 1 Euro = ... Dollar). Durch eine rein formale Operation – das „Umrechnen“ – bekommen wir ein „Gefühl“ für die Lebenshaltungskosten etc. am Urlaubsort.

Auf diesem Prinzip basieren die folgenden Überlegungen. Durch eine rein formale Operation – das „Umrechnen“ – stellen wir eine Beziehung her zwischen uns vertrauten Energieeinheiten (Jahresrechnung des örtlichen Energieversorgungsunternehmens: kWh / Ernährung: kcal).


Stift.gif   Aufgabe

Ein erwachsener Mensch benötigt täglich durchschnittlich etwa 2.200 Kilokalorien, um sein Körpergewicht zu erhalten und zugleich leichte Arbeit zu verrichten. (Vgl hierzu Definitionen: Was ist Hunger?)

  1. Rechne den oben genannten (durchschnittlichen) täglichen Energiebedarf eines Menschen (2.200 Kilokalorien) in die Energieeinheit »kWh« (Kilowattstunde) um.
  2. Welcher elektrische Verbraucher hat bei 24-Stunden-Dauerbetrieb einen vergleichbaren Energiebedarf? Gib die Leistung des elektrischen Verbrauchers an.
  3. Vergleiche die von Dir berechnete Leistung mit der folgenden Aussage:
[...] Ein Mensch braucht in Ruhe etwa 100 W zum Leben. [...]

Ingo Tessmann (31.01.2000): Die Entropie nimmt zu

  • Aufgabe 1) 2.200 Kilokalorien = 2,56 kWh
  • Aufgabe 2) 2,56 kWh : 24 h = 0,107 kW = 107 W (also: rund 100 WattWikipedia-logo.png.)
Eine 100 Watt GlühbirneWikipedia-logo.png hat bei 24-Stunden-Dauerbetrieb einen vergleichbaren Energiebedarf wie ein (!) Mensch.
Maehnrot.jpg
Merke:

Gluehlampe 01 KMJ.png Du siehst: so eine große Leuchte ist der Mensch gar nicht!

Aufbau der Einführungslektion: Geschichte der Energie / Warum Energie sparen? / Energieverbrauch im Haushalt.
Stift.gif   Aufgabe
  1. Berechne den (durchschnittlichen) jährlichen Energiebedarf eines Menschen (nur Nahrung!) in der Energieeinheit »kWh« (Kilowattstunde). Runde auf volle Tausender.
  2. Recherchiere: Wie hoch ist die Energieintensität pro Kopf und Jahr
    a) in Deutschland, b) in Japan, c) in der Schweiz sowie d) in den USA.
  3. Vergleiche Dein Ergebnis mit folgender Aussage:
[...] Wievielmal mehr Energie brauchen wir heute als der Höhlenmensch?
In der Schweiz brauchen wir täglich das 40-fache der Energie unserer Nahrung. [...]

Rolf Gloor (24.07.1996): Dienstleistungen zum effizienten Energieeinsatz: Jugendarbeit

  • Durchschnittlicher Energiebedarf eines Menschen pro Tag = 2.200 Kilokalorien = 2,56 kWh
  • 2,56 kWh / Tag x 365 Tage = 934 kWh pro Jahr; also rund 1.000 kWh pro Jahr

Ein Gefühl für Energie-Vernutzung

In den Medien hören (oder lesen) wir häufig den Begriff: der (Welt-)Energieverbrauch (ist gestiegen / ... ).

Fragezeichen.gif   Frage

Unter naturwissenschaftlichen Aspekten ist dieser Begriff unzutreffend ("falsch"). Warum?


Fragezeichen.gif   Frage

Wie lautet der 2. Hauptsatz der Thermodynamik und was besagt er?


Stift.gif   Aufgabe

Erkläre bitte (im Zusammenhang mit dem 2. Hauptsatz der ThermodynamikWikipedia-logo.png) die Begriffe Unordnung und FreiheitsgradWikipedia-logo.png
am Beispiel der chemischen Verbindung „Wasser“Wikipedia-logo.png:

  1. Eis (AggregatzustandWikipedia-logo.png: fest)
  2. Wasser (Aggregatzustand: flüssig)
  3. Wasserdampf (Aggregatzustand: gasförmig)
Fragezeichen.gif   Frage

Was versteht man unter Negentropie (Syntropie)?


Nuvola apps edu miscellaneous.png   Unterrichtsidee
Ausstattung
  1. (Mindestens) 4 Computer-Arbeitsplätze; Tabellenkalkulations-Software.
[...]


Stift.gif   Aufgabe

Recherchiere:

a) Wie hat sich die Weltenenergievernutzung[7] (der Weltenergie"verbrauch") innerhalb der vergangenen 1000 Jahre verändert?
b) Wie hat sich die Weltbevölkerung[8] innerhalb der vergangenen 1000 Jahre verändert?
  • Erstelle eine Tabelle (mithilfe einer Tabellenkalkulations-Software)
  1. Trag die von Dir ermittelten Daten in ein Arbeitsblatt ein. Du benötigst drei Spalten
    1. Zeit (Jahreszahl)
    2. Weltenenergievernutzung (Weltenergie"verbrauch") - WICHTIG: beachte die physikalische Einheit.
    3. Weltbevölkerung - (in Mio)
  • Erstelle eine GRAFIK (mithilfe der Tabellenkalkulations-Software)
  1. Wähle für die Zeitachse eine geeignete Skalierung (Einteilung).
    (Vgl. z. B.: http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:World-pop-hist-de-2.png)
  2. ...
Wir erinnern uns

Ein Mensch benötigt Nahrungsmittel (die in der Natur wachsen) zum Leben.

Jeder Mensch benötigt demzufolge „Umwelt-Ressourcen“.

Aber wie viel „Umwelt-Ressourcen“? – Das können wir „messen“: ca. 2,56 kWh / Tag

Wir "definieren"

„Ressourcen-Verbrauch“ oder besser: „Ressourcen-Vernutzung“

Das sind – für das „nackte“ Überleben - ca. 2,5 kWh pro Mensch und Tag (bzw. rund 1000 kWh pro Mensch und Jahr).

Hinweis:
Wir wollen SPÄTER - ganz allgemein - untersuchen:
das ist die "Entwertung" einer Energiemenge in Höhe von rund 2,5 kWh/Tag
  • bzw. die "Entwertung" einer Energiemenge in Höhe von rund 1000 kWh/Jahr.
Nun haben wir eine - anschauliche (!) - „Unit“ / „Einheit“,
die uns dabei helfen wird, die GRAFIK zu verstehen (und gegebenenfalls Bezüge herzustellen).


Wir wollen wissen
  • Wie hat sich (durch unsere Lebensweise) die „Ressourcen-Vernutzung“ innerhalb der letzten 1000 Jahre verändert.
  • Wir wollen ein Gefühl dafür bekommen, in welcher Beziehung das Bevölkerungswachstum und die seit Beginn des Industriezeitalters gestiegene Weltenergievernutzung zueinander stehen.
  1. Aus der GRAFIK 1 erkennen wir, dass seit 1750 von der Welt(gemeinschaft) sehr viel mehr Energie vernutzt wurde als zuvor.
  2. Wir wollen ein Gefühl für (den Begriff) Energie-Vernutzung bekommen.
Wie müssen/können wir uns das anschaulich und im kleinen Maßstab vorstellen?
  • Aus unserem Alltagsleben wissen wir, dass bei Sonnenschein – wenn es warm wird - Eis und Schnee schmelzen und zu flüssigem Wasser oder Wasserdampf werden. (Die Energiezufuhr bewirkt, dass die chemische Verbindung „Wasser“ vom festen in den flüssigen bzw. gasförmigen AggregatzustandWikipedia-logo.png übergeht.
Dieses Phänomen wollen wir dazu verwenden, um Energie-Vernutzung anschaulich darzustellen (zu "begreifen").
Hinweis:
Link zu Beispiel (Formeln + Rechnung)

"Kategorie": Physik / Wärmelehre

  1. Wir wählen 1 kg Eis mit einer Temperatur von –5 °C.
  2. Wir berechnen, wie viel Energie notwendig ist, um 1 kg Eis (T= –5 °C) in Wasserdampf zu überführen.
Dabei haben wir folgendes Bild vor Augen:

Ein Steinzeit-Mensch (oder ein EskimoWikipedia-logo.png) benötigt Trinkwasser, das er nur durch Schmelzen eines Eisblocks herstellen kann. Er sammelt zu diesem Zweck eine bestimmte Menge Holz (Energie). Wenn er durch Verbrennen der Holzstücke die gewünschte Eismenge (in einem Gefäß) zum Schmelzen gebracht hat, dann ist das Holz (der Energieträger) verbraucht. Die Energie ist "vernutzt". Falls dieser Mensch - beispielsweise - seine Behausung oder sein Mittagessen erwärmen möchte, dann muss er sich hierfür erneut Holz besorgen.


Energievernutzung kann man sich demzufolge anschaulich so vorstellen

Die Vernutzung einer Energie-Menge in Höhe von 2,5 kWh führt dazu, dass ... kg Eis schmelzen und zu Wasserdampf werden.

  1. Wir wollen die Eismenge (physikalisch: MasseWikipedia-logo.png) berechnen, die infolge der Weltenergievernutzung seit 1750 - theoretisch - geschmolzen und zu Wasserdampf geworden ist.
  2. Wir wollen ferner berechnen, ob und ggf. in welcher Weise sich die Verhältnisse in unserer Atmosphäre dadurch geändert haben könnten.
  3. Für die erforderlichen Berechnungen benötigen wir quantitative Angaben: Wasser / Vorkommen auf der ErdeWikipedia-logo.png.
  1. Wir überlegen, welche Temperatur gasförmiges Wasser (Wasserdampf) unter realen Bedingungen („in Wirklichkeit“) hat.
  2. Wir entscheiden uns für +14 °C, weil wir im Zusammenhang mit dem Klimawandel gelesen haben, dass diese Temperatur der globale Mittelwert der LufttemperaturWikipedia-logo.png sein soll.
[...]


Wir diskutieren das Ergebnis unserer Berechnung
[...] Um mehr als 75 Prozent ist die Konzentration dieser Substanz in den oberen Luftschichten in den letzten 45 Jahren angestiegen. [...]
[...] Das wichtigste Treibhausgas ist der Wasserdampf. Es taucht in der Diskussion nur deshalb nicht auf, weil der Mensch seine Konzentration nicht beeinflussen kann. Selbst wenn wir künftig vorwiegend Wasserstoff als Energieträger einsetzen würden, wären die Einflüsse der Wasserdampfemissionen auf das Klima minimal. Unvorstellbar große Mengen an Wasserdampf verdunsten von den Ozeanen, bewegen sich in der Atmosphäre, kondensieren und fallen als Niederschläge wieder zu Boden. Innerhalb von zehn Tagen wird die gesamte Menge an Wasserdampf in der Atmosphäre ausgetauscht. Die Konzentration schwankt deshalb sehr stark von Ort zu Ort und von Stunde zu Stunde - ganz im Gegensatz zu den oben diskutierten langlebigen Treibhausgasen, die sich während ihrer Lebensdauer um den ganzen Erdball verteilen und daher überall fast die gleiche Konzentration haben (außer in Bodennähe, nahe der Quellen und Senken).

Seit jeher treiben Klimaforscher großen Aufwand, um den Wasserkreislauf genauer in ihren Modellen zu erfassen - das ist nicht nur wegen der Treibhauswirkung des Wasserdampfes wichtig, sondern vor allem auch zur Berechnung der Niederschlagsverteilung. Die Wasserdampfkonzentration hängt stark von der Temperatur ab. Warme Luft kann mehr Wasserdampf halten. Daher erhöht der Mensch indirekt auch die Wasserdampfkonzentration der Atmosphäre, wenn er das Klima aufheizt - eine klassische verstärkende Rückkopplung, da eine höhere Wasserdampfkonzentration wiederum die Erwärmung verstärkt. [...]


"Zwischenbilanz":

  1. Unsere Überlegungen stehen in Einklang mit entsprechenden Forschungsergebnissen (PM des Forschungszentrums Jülich).
  2. Im Gegensatz dazu stellen uns die Ausführungen von Stefan Rahmstorf nicht zufrieden. (Rahmstorf behauptet, dass der WasserdampfgehaltWikipedia-logo.png der Atmosphäre durch uns Menschen nicht bzw. nur minimal beeinflusst werde; eine nachvollziehbare und plausible Begründung bleibt er uns schuldig. Zudem "argumentiert" Rahmstorf vorliegend in gleicher Weise wie jene, die bezweifeln, dass der gestiegene CO2-Gehalt in der Atmosphäre (auch eine) Ursache sei für die globale Erwärmung: auch jene "argumentieren", verglichen mit dem (Gesamt-)Umsatz sei der Netto-Effekt minimal.)
  3. Ferner können wir gedanklich nicht nachvollziehen ("nicht verstehen"), warum unsere Politiker bereit sind, Eingriffe in den natürlichen Kohlenstoff-KreislaufWikipedia-logo.png zu gestatten, obwohl wesentliche Fragen/Zusammenhänge ganz offensichtlich noch nicht (zweifelsfrei) geklärt sind. - Wir halten das für verantwortungslos, denn es gibt zahlreiche Beispiele dafür, dass - unbedachte - Eingriffe des Menschen in natürliche ÖkosystemeWikipedia-logo.png katastrophale Folgen hatten[9] [10] resp. zu irreparablen Schäden führten.


Wir wollen unsere bisherigen Ergebnisse (und die sich daraus ergebenden Schlussfolgerungen) überprüfen
  • Dazu wählen wir ein Beispiel aus der Technik.
  1. Wir entscheiden uns für das Auto (KFZ), weil ...
  2. Für unsere Berechnungen legen wir fest: Das KFZ verbraucht 5 l Kraftstoff pro 100 km Fahrleistung.
    1. Diesbezüglich orientieren wir uns an ... (Herstellerangaben etc. pp.)
    2. Wir ermitteln weitere für unsere Berechnungen erforderlichen Daten - Pflanzenöl:
      1. DichteWikipedia-logo.png
      2. Preis/Liter ...
Dabei haben wir folgendes Bild vor Augen:
  1. Durch eine (preiswerte) Zusatz-Ausstattung kann ein DieselWikipedia-logo.pngfahrzeug mit handelsüblichem Pflanzenöl (in jedem Supermarkt preiswert erhältlich) betrieben werden (vgl. Literaturnachweise).
  2. PflanzenölWikipedia-logo.png ist demzufolge
    1. sowohl Nahrungsmittel
    2. als auch "Kraftstoff".


Wir schätzen grob ab (Kopfrechnung):

  • Der Nährwert von Pflanzenöl (Herstellerangaben) = 819 kcal/100 ml
  1. Das entspricht rund 8200 kcal/Liter
  2. Unter Berücksichtigung der Dichte schätzen wir ab: 10.000 kcal pro Kilogramm
  3. Das entspricht in etwa dem täglichen Energiebedarf von 5 Menschen.
  • Bei einem Verbrauch von 5 l „Kraftstoff“ pro 100 km Fahrleistung resultiert
eine Fahrleistung von 20 km pro 1 Liter „Kraftstoff“ (vorliegend: Pflanzenöl).
  • Daraus folgt:
Bei einer regelmäßigen Fahrleistung von (täglich) 4 km vernutze ("verbrauche") ich (durch den GEBRAUCH der technischen Erfindung KFZ) genauso viel Energie (Umweltressourcen) wie ein Mensch zum Leben benötigt.
Hinweis:
Wir werden uns später der Frage zuwenden,
um welchen Preis bzw. zu wessen Nachteil
moderne Industriegesellschaften
sich "Mobilität"Wikipedia-logo.png erkaufen.

Vor diesem Hintergrund bekommt das geflügelte Wort
(in vielen Industrieländern gebräuchlich):
„Das Auto - des Mannes liebstes Kind.“
eine völlig neue - unerwartete - Dimension.



  • Wir vergleichen unsere Berechnungen (Tabelle):
biologische Ressourcen-Vernutzung“(Mensch) v e r s u s „Ressourcen-Vernutzung“(Technik)
[...]


Wir fragen
Fragezeichen.gif   Frage

Ist der Planet Erde ein abgeschlossenes System?

Information icon.svg   Antwort
  • Prof. Blumes Bildungsserver für Chemie:
Chemisches Grundwissen Kapitel 6 - Physikalische Eigenschaften der Stoffe / 6.6 Der Systembegriff


Wir überlegen, ob wir das System "Erde" mathematisch beschreiben können.
  • Für die globale Betrachtung erscheint uns der mathematische Ausdruck für den 1. Hauptsatz der Thermodynamik (Energieerhaltungssatz) bestens geeignet:
dU = dQ + dA

In Worten:
Die Änderung der inneren Energie ist gleich der Summe der dem System in Form von Arbeit und Wärme zu- oder abgeführten Energie.


  • Der Klimaforschung zufolge ist (für das System "Erde") dU = 0
Vgl.: Strahlungshaushalt der Atmosphäre

[...]

  • Wir fassen unsere Überlegungen bzgl. der Energie-Vernutzung wie folgt zusammen:

Das MAXIMUM an Unordnung (vgl.: Entropiesatz = 2. Hauptsatz der Thermodynamik) erreicht man mit unserem "Energie-MÜLL" (in die Umwelt abgegebene Abwärme, egal ob diese Wärmeenergie nun aus dem AKWWikipedia-logo.png oder aus fossilen Brennstoffen stammt!) dann, wenn man DIESE ABWÄRME dazu verwendet, Eis in Wasserdampf zu verwandeln.

Theoretisch müsste (dies folgt - zwingend - aus den ersten beiden Hauptsätzen der Thermodynamik):

  1. Die Eismenge auf dem blauen Planeten zurückgegangen sein.
  2. Das atmosphärische Wasser zugenommen haben (und weil in dem Wasserdampf der größte Teil der Abwärme-Energie steckt):
  3. An der Grenze zwischen kalten und warmen Luftmassen (Unwetter)
    a) sich die Niederschlagsmenge erhöht haben,
    b) sich die Windstärke erhöht haben,
    c) sich die Anzahl/Stärke der elektrischen Entladungen erhöht haben.


  • Vernutzte Energie (genauer: der in WärmeWikipedia-logo.png umgewandelte Anteil) erscheint demzufolge in unserer Biosphäre als latente Wärme.
  1. Unsere Schlussfolgerung steht in Einklang mit der Kern-Aussage der Klimaforschung (Wasserdampf ist das Treibhausgas Nr. 1).
  2. Unsere Schlussfolgerung steht in Einklang mit den Kern-Aussagen desWeltklimaberichts 2007, was uns nicht weiter verwundert, weil wir wissen, dass die Kimamodelle unter Beachtung der elementaren NaturgesetzeWikipedia-logo.png erstellt werden, d. h. auf den Erhaltungssätzen für Impuls, Masse und Energie basieren.[11]
  3. Mit Blick darauf, dass bei einem Kernkraftwerk 60-70 % der Energie (das sind rund 2 Drittel) - ungenutzt - als WärmeWikipedia-logo.png mit dem Kühlwasser unserer Biosphäre zugeführt werden, stufen wir die "Kernenergie" als klimaschädlich ein. Demzufolge ist Kernkraft keine "Brückentechnologie", so dass auch unter diesem Aspekt eine Laufzeitverlängerung für AKWs verantwortungslos ist.[12] [13] [14]
[...] Bezogen auf den Energiegehalt des im Brennstab enthaltenen 235U
beträgt der WirkungsgradWikipedia-logo.png eines Kernkraftwerks etwa 30–40 %. [...]

W-Logo.gif Kernkraftwerk#Brennstoff, Wikipedia – Die freie Enzyklopädie, 14:22, 18. Jan. 2010 - Der Text ist unter der Lizenz „Creative Commons Attribution/Share Alike“ verfügbar; zusätzliche Bedingungen können anwendbar sein. Siehe die Nutzungsbedingungen für Einzelheiten. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.

→ Soziale_Frage als politische Frage#Wirtschaft
Siehe auch: Mensch vs. Computer

Latente Wärme

Wirkungsgrad

Energie bei chemischen Reaktionen

Entwicklung der globalen CO2-Emission im Zeitraum von 1860-1982 durch den Verbrauch von fossilen Brennstoffen.[7][8]

Im Chemieunterricht liegt das Augenmerk - anfangs - darauf, dass die Schüler lernen, den Stoffumsatz mittels der Reaktionsgleichung stöchiometrisch korrekt zu beschreiben, beispielsweise für die Reaktion von Kohlenstoff mit Sauerstoff:

\mathrm{ C  +  O_2(g) \rightarrow  CO_2(g) }

Chemische Reaktionen sind unterdessen in der Regel begleitet von einem Energieumsatz.

  1. Entweder muss man Energie zuführen (endotherme Reaktion) oder
  2. es wird Energie frei (exotherme Reaktion).
Links für den Unterricht
  • Prof. Blumes Bildungsserver für Chemie:
  1. Chemisches Grundwissen Kapitel 8 - Energieumsatz bei chemischen Reaktionen
  2. Die Energieumwandlungen bei umkehrbaren Reaktionen

Reaktionsgleichung / Energie: "Verflixt, wohin damit? Links oder rechts; minus oder plus?"

Exotherme Reaktion

Die Reaktion von Kohlenstoff mit Sauerstoff (zum Beispiel), bei der Energie frei wird, kann durch eine der beiden folgenden Reaktionsgleichungen zutreffend beschrieben werden:

(a) Die Edukte Kohlenstoff und Sauerstoff reagieren zu den Reaktionsprodukten Kohlenstoffdioxid und Wärme-Energie.

\mathrm{ C +  O_2(g)  \rightarrow  CO_2(g) + Energie  _{(394 kJ)}}

(b) Bei der alternativen Schreibweise wird der Energieumsatz in Form der Standard-ReaktionsenthalpieWikipedia-logo.png angegeben:

\mathrm{ C + O_2(g) \rightarrow  CO_2(g) \qquad \qquad \qquad \qquad \Delta H^0  = -394 kJ\cdot mol^{-1}}
Stift.gif   Aufgabe

Die Verbrennung des fossilen Energieträgers KohleWikipedia-logo.png wird durch die obigen Reaktionsgleichungen beschrieben.

  1. Das Reaktionsprodukt Kohlenstoffdioxid ist der Klimaforschung zufolge als zweit-wichtigstes Treibhausgas (das Treibhausgas Nr. 1 ist den Klimatologen zufolge WasserdampfWikipedia-logo.png) (Haupt-)Ursache für die globale Erwärmung.
  2. Als zweites Reaktionsprodukt entsteht bei der Verbrennung von Kohle die - gewünschte - (Wärme-)Energie.

Recherchiere:
In welcher Weise äußert sich die Klimaforschung bzgl. der klimatologischen Wirkung des ZWEITEN Reaktionsproduktes? (Gibt es diesbezüglich gesicherte Erkenntnisse/Forschungsergebnisse?)

  • Prof. Blumes Bildungsserver für Chemie:
  1. Chemisches Grundwissen Kapitel 13 - Oxidation und Reduktion
  2. Brennbare Stoffe und Brennstoffe
  3. Woher die Energie für die enzymatischen Reaktionen stammt

Endotherme Reaktion

Der Hess'sche Wärmesatz

Der physiologische Brennwert von Nahrungsmitteln

Der Brennwert von Brennstoffen

Übungsfragen / Quiz-Fragen

Fast schon zum Anfassen (zum "Begreifen"): Ein anschauliches Beispiel für - diverse - Energieformen.
Das Energie-Quiz der Helmholtz-Gemeinschaft zum Wissenschaftsjahr "Die Zukunft der Energie" lässt sich unter der Internetadresse energie-quiz.de aufrufen. 160 Tage lang lockt das neue Wissenschaftsspiel mit spannenden Fragen.

Unterrichtsmodelle

Alte Homepage: Energiekurs der Leeraner Gymnasien UEG und TGG
Der Energiekurs behandelt das Thema Energie semesterteilig unter den verschiedenen Aspekten Physik, Erdkunde, Biologie und Politik.
Basierend auf den gleichnamigen Materialien des BMU-Bildungsservice wird hier ein interaktives Lernmodul zu regenerativen Energiequellen vorgestellt. Spielerisch können sich die Schülerinnen und Schüler Grundlagen zur Nutzung der Sonnenenergie, Windenergie, Wasserkraft, Biomasse und Erdwärme erarbeiten.
Schülerinnen und Schüler stellen mit einfachen Mitteln eine Farbstoffsolarzelle her und prüfen ihre Qualität. Mit PowerPoint erstellte Animationen veranschaulichen die Funktionsweise der nach ihrem Erfinder benannten Grätzel-ZelleWikipedia-logo.png.
→ Farben
Eine Flash-Animation zeigt den Aufbau einer galvanischen Zelle aus einer Zink- und einer Kupferhalbzelle. Die chemischen Abläufe bei einer Stromentnahme werden dynamisch dargestellt.

Unterrichtsmaterial

Rechnen ist das eine, die Zusammenhänge erfahren das andere: In diesem Fragebogen zum eigenen Energie- und CO2-Verbrauch steckt beides. Laden Sie sich den Fragebogen herunter und finden Sie heraus, wie es um Ihren Energieverbrauch bestellt ist.

Chemie

Webseitengruppe "Technische Chemie im und ums Auto".

Multimediale Lernsysteme

  • CHEMnet (IPN Kiel) CHEMnet ist ein Gemeinschaftsprojekt des Leibniz-Instituts für die Pädagogik der Naturwissenschaften (IPN) und des Instituts für Anorganische Chemie an der Universität Kiel (Projektbeschreibung).

Physik

SoWi / Politik

3.1.3.3 Gefahr von Instabilitäten in Energielieferländern und -regionen

(321) Die unter den Bedingungen des business as usual stark steigende Nachfrage nach fossilen Energieträgern, verbunden mit einem verstärkten Bedarf von Entwicklungs- und Schwellenländern mit hoher Wachstumsdynamik sowie einer Ausweitung des internationalen Handels mit Energierohstoffen, verstärken nicht nur die wirtschaftliche Globalisierung. Im Fall von Instabilitäten in wichtigen Lieferstaaten und -regionen sowie in Bezug auf einige Transportrouten kann sich die geopolitische Situation vor dem Hintergrund eines massiv erhöhten Importbedarfes von Entwicklungs- und Schwellenländern erheblich verschärfen.
(322) Eine besondere Problematik ergibt sich für die OPECWikipedia-logo.png-Staaten der arabischen Halbinsel, die aufgrund ihrer Ressourcenausstattung eine zukünftig wieder zunehmende Rolle spielen werden. Insbesondere Saudi-Arabien mit seinem bis auf weiteres unverzichtbaren Versorgungsbeitrag zur Weltölversorgung steht vor gravierenden Problemen. Angesichts des starken Bevölkerungswachstums (Verdoppelung innerhalb der letzten 20 Jahre), der starken wirtschaftlichen Abhängigkeit von den Ölexporten, des chronischen Budgetdefizits sowie der zukünftig möglicherweise zunehmenden politischen, ethnischen und religiösen Spannungen (undemokratische Strukturen, aggressive fundamentalistische Strömungen etc.) sind erhebliche Instabilitäten möglich.
[...]
(324) Probleme aufgrund zwischenstaatlicher und innergesellschaftlicher Konflikte mit geopolitischen Konsequenzen – wenn auch heute mit schwächeren Auswirkungen für die gesamte Energieversorgung – ergeben sich auch in Bezug auf Iran, Irak, Libyen, Algerien, Nigeria und Angola sowie den Kaspischen Raum. Die politische Brisanz der Entwicklungen in einigen dieser Staaten für die weltweite, zumindest aber europäische und asiatische Energieversorgung könnte sich zukünftig vor allem wegen zunehmender Erdgaslieferpotenziale dieser Länder erheblich verstärken. [...]


Auf der Basis einer (quellen-)kritischen Internetrecherche entwickeln die Lernenden eine eigene Einschätzung zur Reichweite der Ölvorräte. Ihre Stellungnahmen werden zunächst in Kleingruppen zusammengeführt und dann mit der Klasse diskutiert.

Fächerübergreifend / interdisziplinär

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Musik

  • Here comes the sun (The Beatles: Video)

Übungsfragen / Aufgaben

Medien / Ausstellungen

Museen in Deutschland zeigen im Wissenschaftsjahr Energie, was sie zum Thema zu bieten haben. Die Energieroute der Museen ist ein Projekt der Leibniz-Gemeinschaft im Wissenschaftsjahr 2010 - Die Zukunft der Energie und wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.
Im Rahmen des Wissenschaftsjahrs 2010 "Die Zukunft der Energie" lädt Wissenschaft im Dialog (WiD) in 33 Städten zu einem Besuch auf das Ausstellungsschiff MS Wissenschaft ein. Auftakt ist am 18. Mai 2010 in Berlin. Die Ausstellung eignet sich für Schülerinnen und Schüler ab zehn Jahren.
Wie wir unsere Energieversorgung künftig gleichzeitig sicher, wirtschaftlich und umweltschonend gewährleisten, ist eine der wichtigsten Fragen der Zukunft. Die Ausstellung an Bord der MS Wissenschaft informiert über das Thema Energie und zeigt, was auf diesem Gebiet in deutschen Labors entwickelt und geforscht wird. Dabei geht es nicht nur um technische Verfahren der Energieerzeugung, -speicherung und -verteilung. Auch gesellschaftliche, politische und ökonomische Aspekte werden beleuchtet. An vielen Exponaten können Besucherinnen und Besucher selbst aktiv werden und das Thema im wahrsten Sinne des Wortes begreifen.

Humor (Satire)

  • Andreas Rebers: Glühlampen (Video)

Denkanstöße

36 Prozent des in den USA produzierten Getreides wird zur Herstellung von Ethanol verwendet.
Weltweit nehmen Hunger und Unterernährung zu

[...] Eine der Ursachen sieht ZieglerWikipedia-logo.png im zunehmenden Trend, Kraftstoffe aus Mais, Weizen, Zuckerrüben, Raps, Soja, Zuckerrohr und anderen Feldfrüchten zu gewinnen. An und für sich sei die Idee, nachwachsende Materialien in Kraftstoffe zu verwandeln, nicht schlecht, doch in der derzeitigen Ausführung wären die Folgen "katastrophal". Im letzten Jahr hätten sich auf dem Weltmarkt die Weizenpreise verdoppelt und die für Mais vervierfacht. [...]


Wolfgang Pomrehn (tp vom 29.10.2007): Weltweit nehmen Hunger und Unterernährung zu • UN-Berichterstatter gibt Agrarsprit-Boom Mitschuld und fordert ein Moratorium sowie den Einsatz von Pflanzen, die nicht mit Nahrungsmitteln konkurrieren


Ernteabfälle zu Biosprit zu verarbeiten, scheint ein logischer und ökologischer Schritt zu regenerativen Treibstoffen zu sein - doch die Idee ist nur scheinbar clever. Ein Forscher schlägt bessere Alternativen vor.
→ Ökologie

Energieflüsse im Landwirtschaftssektor

Zusammenfassung: Das Ziel dieser Arbeit bestand darin, zunächst ein Modell für eine Energieflussanalyse der Landwirtschaft eines industrialisierten Landes zu entwickeln und im zweiten Schritt dieses Modell für die Berechnung der Energieflüsse des österreichischen Landwirtschaftssektors in einer Zeitreihe für die Jahre 1950, 1965, 1980 und 1995 anzuwenden. [...] Von allen Massen und Mengen wurde über Umrechnungsfaktoren der Energiegehalt in Form des Brennwertes berechnet und in JouleWikipedia-logo.png dargestellt. [...] Der Vergleich des gesamtgesellschaftlichen Aufwands von Energie für den Sektor Landwirtschaft mit dem energetischen Gewinn für die Gesellschaft aus dem Sektor zeigt, dass die österreichische Landwirtschaft im Berechnungszeitraum zwar effizienter geworden ist, aber nicht als Netto-Energielieferant betrachtet werden kann. 1995 kommt es zu einer ausgeglichenen Bilanz. [...]

Seite 125 von 154 der PDF-Datei: Energieflüsse im österreichischen Landwirtschaftssektor 1950-1995 • Eine humanökologische Untersuchung (PDF-Datei)

Patentschutz auf Energiegewinnung gemäß Einstein-Formel

[...] Schwarze Löcher als Energiequelle
Der Frankfurter Physikprofessor Horst Stöcker kann den kleinen Schwerkraftmonstern sogar etwas Gutes abgewinnen. Er glaubt, sie lassen sich irgendwann einmal als Energiequelle nutzen. Ein paar Berechnungen deuten auf die Möglichkeit hin, dass ein Miniatur-Loch nicht vollständig zerstrahlt, sondern in einen stabilen Endzustand übergeht. Dann würde es ein neuartiges Elementarteilchen bilden, das die Kernphysiker "Remanent" tauften (nach dem lateinischen Wort für zurückbleiben).
[...]
Dies geschähe nach Einsteins berühmter Formel E = m · c2, die beschreibt, wie sich Masse in Strahlungsenergie umwandelt: Trifft ein Remanent auf normale Materie, würde diese in einem komplizierten Prozess in Strahlung umgewandelt. Das Remanent bliebe aber erhalten und könnte sogleich die nächste Reaktion auslösen. Es wirkt somit wie ein KatalysatorWikipedia-logo.png in einer chemischen Reaktion.
Die Strahlung wiederum könnte zur Wärme- und damit Stromerzeugung dienen. Leider ist die Zahl der zu erwartenden Remanenten am LHCWikipedia-logo.png verschwindend gering. Rein rechnerisch könnte sonst in entsprechenden Konvertern der gesamte jährliche Energieverbrauch der WeltbevölkerungWikipedia-logo.png mit nur zehn Tonnen normaler Materie erzeugt werden. [...]

* Michael Odenwald (Focus vom 02.08.2008): Teilchenbeschleuniger • Versuch der Superlative

Dokumentarfilm "Die 4. Revolution - Energy Autonomy"

Wir stehen vor dem größten Strukturwandel der Wirtschaft seit dem Beginn des Industriezeitalters. Es kommt zur Implosion der Energieversorgung von heute. Mit großen Worten und Thesen spart Carl-A. Fechners in der Form unsympathischer Dokumentarfilm "Die 4. Revolution - Energy Autonomy" nicht. Dies ist ein sendungsbewusster Werbefilm für erneuerbare Energien und entsprechende Technik. Schlicht in der Machart, macht er auf wichtige Themen und Fragen aufmerksam, ohne allerdings immer die Antworten zu liefern.

Siehe auch

Weblinks

Einzelnachweise

  1. 1,0 1,1 Vgl.: Ch. Franke (03/06): Skript zur Vorlesung "Rationeller Energieeinsatz" (Seite 14 von 96 der PDF-Datei), Kapitel 1.2 Weltenergieversorgung
  2. Vgl.: Rolf Schwarze (FH Bielefeld): Vorlesungsskript (März 2005) "Regenerative Energien und Klimaschutz" (Seite 11 von 42 der PDF-Datei), Abb.: Fossiles/nukleares Energiezeitalter zwischen 1. und 2. solarer Zivilisation
  3. Vgl. dazu Matthias Rekow: Die Entstehung der industriellen Welt - die Geschichte einer Energiekrise?
  4. Vgl. hierzu E. Specht (Uni Magdeburg): Verbrennungstechnik (WS 07/08) "Brennstoff Holz" (Seite 9 f. von 14 der PDF-Datei)
  5. öbv Österreichischer Bundesverlag: Das Industriezeitalter (Seite 3 von 4 der PDF-Datei)
  6. Zentrale für Unterrichtsmedien (ZUM Internet e.V.): Industrielle Revolution und Soziale Frage (Wiederholungsthesen), Seite 1 von 3 der PDF-Datei
  7. 7,0 7,1 Rotty, R.M. and G. Marland (1984): Production of CO2 from Fossil Fuel Burning by Fuel Type, 1860-1982, NDP-006, Carbon Dioxide Information Analysis Center
  8. 8,0 8,1 Vgl. Rolf Schwarze (FH Bielefeld): Vorlesungsskript (März 2005) "Regenerative Energien und Klimaschutz" (Seite 19 von 42 der PDF-Datei), Grafik "Entwicklung des Primärenergieverbrauches (PEV) von 1860 bis 2060"
  9. sueddeutsche.de (13.01.2009): Ökologie • Die Kaninchen-Katastrophe
  10. Michael Horn (australien-panorama.de): Australien Fauna • Ökologische Probleme
  11. 3sat / scobel (15. Mai 2008): Komplexitätsforschung und Klima - Die Sendung als Podcast: Gespräche und Beiträge zu "Komplexe Welt" (Länge: 51 Minuten; mp3-Format; 45,9 MB)
  12. Florian Rötzer (tp/blogs vom 19.01.2010): Deutsche Umweltstiftung legt Gefährdungsatlas für die Menschen im Umkreis von AKWs vor
  13. Andreas Wyputta (taz vom 22.01.2010): Radioaktivität freigesetzt • Störfall wird zum Normalfall
  14. Silvio Duve (tp/blogs 20.01.2010): Asse: Kosten unbekannt ("Versuchsendlager Asse": Wie teuer das Endlagerexperiment in der Asse letztendlich genau sein wird, bleibt unter Umständen im Dunkeln.)