Handreichung für Lehrkräfte

Begriffe, Träger & Kraftwerke

Energie kommt in der Natur in „Rohform“ vor; im Alltag nutzen wir oft umgewandelte und aufbereitete Energie. Hier werden die wichtigsten Begriffe zum Thema Energie sowie Energieträger und Kraftwerke erläutert.

Primär- und Sekundärenergie

Sonne, Wind, Wasser, Biomasse (u. a. Holz), Kohle, Erdöl, Erdgas und Uran zählen als Primärenergie, da sie in der Natur „roh“ vorkommen. Sie können umgewandelt werden, z. B. in Strom.
Sekundärenergie entsteht durch Aufbereitung oder Umwandlung von Primärenergien. So werden Benzin und Heizöl aus Erdöl und Koks aus Kohle gewonnen. Strom ist eine besonders flexible Sekundärenergie: Er kann aus vielen Primärenergien erzeugt werden.

End- und Nutzenergie

Endenergie ist die Energie, die bei den Verbraucher:innen sowie in den Sektoren Industrie und Gewerbe/Handel/Dienstleistungen ankommt und am Zähler erfasst wird, z. B. Strom aus der Steckdose, Gas im Hausanschluss und Benzin an der Zapfsäule. Aus der Endenergie wird im Gerät die Nutzenergie mit entsprechenden Verlusten.

Ein Beispiel: Eine Glühlampe wird mit Strom aus der Steckdose, also Endenergie, betrieben. Das Licht, das sie erzeugt, heißt Nutzenergie. Die Endenergie wird dabei nie zu 100 % in Nutzenergie umgewandelt, ein Teil wird als Wärme an die Umgebung abgegeben – d. h. die Energie geht nicht verloren, ist aber nicht zur Lichterzeugung nutzbar.

Energieträger

Fossile Energieträger

Kohle, Erdöl und Erdgas sind fossile Energieträger. Sie entstanden über Millionen Jahre aus abgestorbenen Pflanzen und Kleinstlebewesen. Man spricht hier von endlichen Vorräten, denn:

Was wir in wenigen Jahrhunderten verbrennen, würde sich in der Natur erst nach Millionen Jahren wieder neu bilden.

Die Fossilen liefern viel Energie, setzen bei der Nutzung aber viel CO₂ frei und verstärken damit den Klimawandel.

Atomare Energieträger

Durch die Spaltung der Atomkerne von Uran und Plutonium werden enorme Mengen Energie freigesetzt. Aus 1 kg natürlichem Uran lassen sich im Durchschnitt 44.000 kWh Strom erzeugen. Das entspricht in etwa dem durchschnittlichen Jahresstromverbrauch von rund 18 Haushalten*. Im Vergleich dazu können aus 1 kg Steinkohle rund 3 kWh Strom gewonnen werden, damit könnte nur ein durchschnittlicher Haushalt* für ca. einen halben Tag versorgt werden. Das Problem: Atomkraft birgt hohe Risiken für Mensch und Umwelt – sowohl im Betrieb als auch bei der Endlagerung.
* Referenzwert ist ein Durchschnittshaushalt mit 2430 kWh.

Erneuerbare Energieträger

Wind, Sonne, Wasser und Erdwärme stehen dagegen fortlaufend zur Verfügung. Allerdings sind Wind- und Sonnenenergie volatil, also unbeständig: Je nach Wetter und Tageszeit drehen sich Windräder langsamer und Solarpaneele liefern weniger elektrische Energie. Biomasse und Laufwasser sind zwar steuerbar und speicherbar, aber nur begrenzt verfügbar. Biomasse unterliegt natürlichen Zyklen: Nachwachsende Rohstoffe müssen gepflanzt und geerntet werden und stehen damit nicht immer zur Verfügung.
Damit die Versorgung durch Erneuerbare trotzdem zuverlässig ist, braucht es ausreichend Flächen (z. B. für Wind- und Solarparks) sowie leistungsfähige Netze, Speicher und eine flexible Nutzung seitens der Verbraucher (z. B. Lastverschiebung). Im- und Export können zusätzlich helfen, Versorgungsschwankungen auszugleichen.
Hier geht’s zur Handreichung Erneuerbare Energien mit ausführlichen Infos zum Thema.

Kraftwerksarten

Kraftwerke lassen sich in vier Grundtypen einteilen:
Wärmekraftwerke erzeugen Strom über Wärme → Turbine → Generator.
Windkraftanlagen nutzen die Bewegungsenergie der Luft über Rotor → Generator.
Wasserkraftwerke wandeln die Lage- bzw. Bewegungsenergie von Wasser über Turbine → Generator in Strom um.
Direktumwandler wandeln Energie ohne Turbinen direkt in Strom um (z. B. Photovoltaik).

Überblick: Kraftwerksarten

Energiequelle: Holz, Reststoffe, Biogas
Energieform: chemische Energie → Wärme (thermisch) → Bewegung (mechanisch) → elektrisch (plus nutzbare Wärme bei Kraftwärmekopplung (KWK))

Echt nachhaltig?

Klimaneutral sind die Kraftwerke nur, wenn die Biomasse keine Entwaldung oder zusätzlichen Flächenverbrauch verursacht. Das ist z. B. bei Rest- und Abfallstoffen (jeweils der biogene Anteil) der Fall. Außerdem muss das freigesetzte CO₂ durch Fotosynthese wieder gebunden werden.
Wachsen → CO₂ speichern → verbrennen → CO₂ frei → wieder wachsen.

Energiequelle: Steinkohle oder Braunkohle
Energieform: chemische Energie → Wärme (thermisch) → Bewegung (mechanisch) → elektrische Energie
Vorteile: große, steuerbare Leistung
Nachteile: sehr hohe CO₂-Emissionen und Luftschadstoffe, Importabhängigkeit bei Steinkohle

Der Bundestag und Bundesrat haben für Deutschland bis spätestens 2038 den Ausstieg aus der Kohleverstromung beschlossen.

Schema: Kohlekraftwerk: von der Brennstofflagerung zur Stromerzeugung — Kohlekraftwerk: von der Brennstofflagerung zur Stromerzeugung

Energiequelle: Erdgas
Energieform: chemische Energie → Wärme (thermisch) → Bewegung (mechanisch) → elektrische Energie
Vorteile: große, steuerbare Leistung, schneller regelbar und deutlich weniger CO₂-Emissionen als bei Kohle
Nachteile: CO₂-Emissionen und Luftschadstoffe, Importabhängigkeit

So lässt sich Wärme speichern und bei Bedarf nutzen

Stadtwerke Düsseldorf AG

Energiequelle: Uran (Kernspaltung)
Energieform: Kernenergie → Wärme (thermisch) → Bewegung (mechanisch) → elektrische Energie
Vorteile: viel Strom bei geringem Brennstoffbedarf
Nachteile: Importabhängigkeit, Herausforderungen bei der Sicherheits- und Endlagerfrage

Schematischer Aufbau eines Atomkraftwerks

Energiequelle: Wind
Energieform: Bewegungsenergie (kinetisch) → mechanisch → elektrisch
Vorteile: keine Emissionen im Betrieb; können an Land und auf See errichtet werden (onshore/offshore), gut skalierbar
Nachteile: nicht jederzeit verfügbar; brauchen passende Standorte

Energiequelle: fließendes oder fallendes Wasser
Energieform: Lageenergie (potenziell)/Bewegungsenergie (kinetisch) → mechanisch → elektrisch
Vorteile: oft zuverlässig, langlebig; gut steuerbar
Nachteile: Eingriffe in Flüsse/Ökosysteme; Ausbau in vielen Regionen begrenzt, u. a. da ein Gefälle erforderlich ist; Nutzungskonkurrenzen

Neben den Laufwasserkraftwerken und Stauwasserkraftwerken (Talsperren) wird die Wasserkraft auch zur Energiespeicherung genutzt: Speicher/Pumpspeicher können helfen, Angebot und Nachfrage im kurzfristigen Zeithorizont auszugleichen. Hier geht’s zum Überblick Speichertechnologien.

Mehr Infos zu Wasserkraftwerken finden Sie in der Handreichung Erneuerbare Energien.

Schema Wasserkraftwerk — Hier wird aus der Energie von gestautem Wasser Strom, das ins Netz eingespeist wird.

Energiequelle: Sonnenlicht
Energieform: Strahlungsenergie → elektrische Energie (direkt, ohne Turbine)
Vorteile: dezentral, schnell ausbaubar
Nachteile: schwankend

Mehr Infos zu Photovoltaik finden Sie in der Handreichung Erneuerbare Energien.

Schema PV-Anlage mit Batteriespeicher für den Eigenverbrauch und zur Einspeisung ins Stromnetz — PV-Anlage mit Batteriespeicher für den Eigenverbrauch und zur Einspeisung ins Stromnetz

Kraft-Wärme-Kopplung & Wärmenetze/Fernwärme

Bei thermischen Kraftwerken wie den Biomasse- und Biogasanlagen, aber auch bei den fossilen Kraftwerken (Kohle-, Gas- und Ölkraftwerke) fällt bei der Stromerzeugung viel Wärme an. In der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) wird diese Wärme nicht ungenutzt abgegeben, sondern zusätzlich zum Heizen oder für Warmwasser genutzt. So steigt der Gesamtwirkungsgrad: Aus derselben eingesetzten Energie entsteht mehr Nutzenergie (Strom + Wärme).

Wärmenetze (Fernwärme) verteilen diese Wärme über isolierte Leitungen als heißes Wasser oder Dampf zu den Gebäuden, wo sie per Wärmetauscher an das Heizungssystem des Hauses übergeben wird. Das abgekühlte Wasser wird dann zurückgeführt. Besonders in dicht bebauten Städten ist das sinnvoll, weil viele Abnehmer nahe beieinander liegen und die Wärme effizient genutzt werden kann.

Vorteile: planbarer als Wind und Sonne, nutzt teils Abfälle
Nachteile: begrenzt (Flächen/Mengen), nicht automatisch klimaneutral