Konventionelle Energiequellen
Konventionelle Energiequellen sind fossile Brennstoffe und Kernbrennstoffe. Ihre Vorräte auf der Erde sind im Gegensatz zu den erneuerbaren Quellen limitiert.
Fossile Energieträger
Rund 80 Prozent des globalen Primärenergieverbrauchs werden mit fossilen Energieträgern gedeckt. Zu ihnen zählen Kohle, Erdöl und Erdgas. Die Energie, die in den fossilen Brennstoffen steckt, kann durch Verbrennung in Wärmeenergie umgewandelt werden. Dabei werden Schwefeldioxid, Stickstoffoxide und Kohlenwasserstoffe ausgestoßen, aber auch Stäube. In einem zweiten Schritt kann diese wiederum in elektrische Energie umgewandelt werden.
Kohle, Erdöl und Erdgas sind zu einem großen Teil pflanzlichen Ursprungs. Vor rund 300 bis 400 Millionen Jahren wandelten Pflanzen über Fotosynthese Sonnenenergie in chemische Energie um. Über ihre Blätter nahmen sie dabei Kohlendioxid aus der Luft auf, über die Wurzeln Wasser. Unter Sonneneinstrahlung entstanden dabei energiereiche Kohlenhydrate, das sind vor allem Zucker und Stärke. Gleichzeitig wurde Sauerstoff freigesetzt. Auf diese Weise haben Pflanzen den Kohlenstoff an die Erdoberfläche gebunden.
Entstehung und Verwendung
So ist Kohle entstanden
Vermutlich prägten riesige Sumpfwälder und Moore die Karbon- und Permzeit vor 350 bis 250 Millionen Jahren. Absterbende Schachtelhalme, Bärlappgewächse und Riesenfarne sind im sauerstoffarmen Sumpfwasser nicht verrottet, sondern wurden im Laufe der Zeit in den ausgedehnten Beckenlandschaften in Kohle umgewandelt: Unter Luftabschluss verwandelten Mikroorganismen das Pflanzenmaterial zunächst in Torf (1). Zahlreiche Pflanzengenerationen lagerten sich ab und wurden jeweils von Sand und Gestein überdeckt. Es entstanden mehrere Torf- und Kohleschichten. Im heutigen Ruhrgebiet wiederholte sich dieser Vorgang etwa 200-mal (2). Mit zunehmender Tiefe stiegen Druck und Temperatur, die Schichten wurden gepresst (3). So entstand aus dem Torf in einem langwierigen Prozess zunächst Braunkohle und schließlich Steinkohle (4).
So wird Kohle zur Energieerzeugung eingesetzt
Braun- und Steinkohle werden in Kraftwerken in Kesseln verbrannt, um Wasser zu erhitzen. Der entstehende Wasserdampf wird zur Erzeugung von elektrischer Energie und für die Fernwärmeversorgung genutzt. Kohle wandert auch in Koks veredelt in die Hochöfen der Stahlindustrie oder als Briketts zum Heizen in den Ofen.
So ist Erdöl entstanden
Abgestorbene Meeresorganismen sind das Ausgangsmaterial für das meiste Erdöl, das heute gefördert wird. Diese sanken auf den Boden der Schelfmeere und wurden im Laufe der Zeit mit Sand und Geröll bedeckt (1). Luftdicht eingeschlossen wurde diese Biomasse von Bakterien allmählich zu Faulschlamm verwandelt. Weitere Sedimentschichten überlagerten das Gemisch, verfestigten es und senkten es weiter ab (2). Unter großem Druck und hoher Temperatur wandelten sich die organischen Materialien des Faulschlamms in Kerogene um. Diese bestehen überwiegend aus Kohlenstoff und Wasserstoff (3). Unter weiter steigendem Druck und ab Temperaturen von 60 Grad Celsius werden die Kerogene in gasförmige und flüssige Kohlenwasserstoffe aufgespalten. Das Erdöl treibt aus und wandert durch poröse Gesteinsschichten aufwärts. Es sammelt sich schließlich in einer Lagerstätte unterhalb einer undurchdringlichen Erdschicht (4).
So wird Erdöl zur Energieerzeugung genutzt
Um die chemische Energie von Erdöl in elektrische Energie umzuwandeln, wird dieses verbrannt und mit der entstehenden Hitze Wasserdampf erzeugt. Der Wasserdampf treibt eine Turbine an, deren Bewegungsenergie schließlich in einem Generator in elektrische Energie umgewandelt wird.
So ist Erdgas entstanden
Erdgas ist quasi ein Nebenprodukt, das bei der Entstehung von Erdöl oder von Kohle mit produziert wird. Im ersten Fall – also bei Erdöl – liegt es an der gleichen Lagerstätte über dem Ölhorizont oder ist unter hohem Druck im Erdöl gelöst. Die Entstehung von Erdgas wird im Abschnitt Erdöl näher beschrieben.
Bei der Förderung des Öls wird das Erdgas dann freigesetzt. Im zweiten Fall ist es als Methan bei der Entstehung von Kohle gebildet worden. Es kommt über tief liegenden Steinkohleflözen zu liegen. Erdgas ist ein Gemisch aus bis zu 95 Prozent Methan und anderen gesättigten Kohlenwasserstoffen. In geringen Mengen sind Kohlendioxid, Stickstoff, Schwefelwasserstoff, Wasser und Helium enthalten.
So wird Erdgas zur Energieerzeugung genutzt
Erdgas dient hauptsächlich Heizzwecken, wird aber auch zur Stromerzeugung und als Treibstoff verwendet. Die Stromerzeugung erfolgt entweder per Verbrennung über Gasturbinen oder mittels Dampfturbinen. Da Erdgas auch Wasserstoff enthält, kann es für Brennstoffzellenheizgeräte eingesetzt werden.
Das Fracking – eine besondere Fördermethode
Liegt Erdgas oder Erdöl in Gesteinsschichten gebunden vor, kann es mit der Methode des Hydraulic Fracturing (kurz: Fracking) gefördert werden. Dazu muss das Gestein jedoch aufgebrochen werden: Unter hohem Druck wird ein Gemisch aus etwa 94,5 Prozent Wasser, rund fünf Prozent Sand oder Keramikkügelchen und chemischen Zusätzen in die Gesteinsschichten gepresst. Der Sandanteil im Gemisch hält die Risse so weit offen, dass das Erdgas oder Erdöl hindurchströmen kann. Auch in Deutschland gibt es größere Vorkommen von Erdgas, das in Gesteinsporen gelagert ist – sogenannte unkonventionelle Lagerstätten. Das Fracking ist bei Umweltverbänden umstritten.
Mehr Informationen zum Fracking in Deutschland gibt es auf der Website des Umweltbundesamts.
Kernbrennstoffe
Auch Uran ist ein konventioneller Energieträger. Er wird als Kernbrennstoff, auch nuklearer Brennstoff, in Kernkraftwerken eingesetzt.
Uran ist ein auf der Erde weitverbreitetes chemisches Element. Es ist ein Schwermetall und kommt hauptsächlich als Uranoxid vor – eine Verbindung von Uran und Sauerstoff. Wegen seines Aussehens wird es auch „yellow cake“ (gelber Kuchen) genannt.
Sämtliche Uran-Isotope sind radioaktiv und senden beim Zerfall ionisierende Strahlung aus. Etwa 0,7 Prozent des Natururans ist spaltbares Uran (U²³⁵), 99,3 Prozent liegen als nicht spaltbares Uran (U²³⁸) vor.
Um als nuklearer Brennstoff verwendet zu werden, muss der Gehalt an U²³⁵ drei bis fünf Prozent betragen. Das heißt, das Natururan muss angereichert werden, damit es in Druck- und Siedewasserreaktoren verwendet werden kann, wie sie in Deutschland im Einsatz sind. Mit etwas mehr als 20 Gramm so angereichertem Uran können mittels Kernspaltung rund 1.000 Kilowattstunden Strom erzeugt werden.
Bei der Kernspaltung wird ein Neutron auf den Kern von Uran²³⁵ geschossen. Das so entstandene kurzlebige Uran²³⁶ zerfällt. Spaltneutronen werden freigesetzt, die wiederum andere Uran²³⁵-Kerne treffen. Eine Kettenreaktion wird ausgelöst.