Energie: Umwandlung und Transport
Energie tritt in vielen Formen auf, aber nicht jede eignet sich gleich gut für technische Verwendungen. Meist ist es nötig, Energie von einer Form in eine andere umzuwandeln, bevor sie nutzbar ist.
Energieformen
Kohle enthält chemische Energie, die jedoch in der molekularen Struktur gebunden und in dieser Form unbrauchbar ist. Beim Verbrennen der Kohle wird die chemische Energie umgewandelt in Wärmeenergie und ist damit nutzbar: Die Wärmeenergie kann man zum Heizen oder Erhitzen verwenden. Mit durch Erhitzen von Wasser entstandenem Dampf lassen sich Turbinen und über diese Generatoren antreiben. Dabei geht die Wärmeenergie erst in mechanische und diese dann in elektrische Energie über. Neben chemischer und Wärmeenergie tritt Energie in der Natur zudem als mechanische Energie auf, wenn z. B. Wind oder Wasser Rotoren oder Turbinen dreht, als elektrische Energie beim Austausch elektrischer Ladungen oder in Form elektromagnetischer Energie, z.B. als sichtbares Licht. Aber nicht alle Formen sind für die Energieversorgung gleich wichtig.
In der Energieanwendung haben sich eine Reihe von Begriffen eingebürgert, die für technische Zwecke griffiger sind als die physikalisch korrekte Bezeichnung der Energieformen. Als Primärenergie werden alle Energiequellen und -rohstoffe vor einer Umwandlung, also in ihrer natürlichen Erscheinungsform, zusammengefasst: Wasserkraft und Sonnenstrahlung, Wind und Erdwärme, Kohle, Öl, usw.Sekundärenergie bezeichnet Energieformen und -rohstoffe, die durch Umwandlung von Primärenergien entstehen, z. B. Benzin, Strom oder Fernwärme. Der Verbraucher bezieht sie als Endenergie, etwa Strom aus dem Netz oder Benzin von der Tankstelle, und macht sie als Nutzenergie für seine Zwecke dienstbar. Bei all diesen Umwandlungen kommt es zu Verlusten. So stellt z. B. die Nutzenergie nur einen Teil der Endenergie dar.
Wirkungsgrad
Unter realen Bedingungen geht mit jeder Energieumwandlung ein Verlust einher: Die eingesetzte Energie (z. B. Kohle) wird nicht vollständig in die erwünschte Form umgesetzt (z. B. Heizung oder Strom). Ein Teil bleibt immer ungenutzt, z. B. als Abwärme oder sonstige Verluste.
Der Wirkungsgrad eines energiewandelnden Systems gibt an, wie effizient die Energieumwandlung erfolgt. Dazu setzt man die abgegebene Energiemenge ins Verhältnis zu der aufgenommenen. Für ein Kohlekraftwerk ist der Gesamtwirkungsgrad also das Verhältnis aus der elektrischen Energie, die vom Generator abgegeben wird, zur chemischen Energie, die aus der Kohle aufgenommen wird. Analog kann man für jede Komponente des komplexen Gesamtsystems Kraftwerk (z. B. Kessel, Turbine oder Generator) einen eigenen Wirkungsgrad definieren. Der Wirkungsgrad ist wegen der unvermeidlichen Verluste stets kleiner als 100 %. Der Wirkungsgrad eines modernen, reinen Kohlekraftwerkes liegt heute bei gut 40 %.
Transport
Energie, sei es Primärenergie vor oder Sekundärenergie nach der Umwandlung in einer technisch günstigeren Form, muss vor der Nutzung zum Verbraucher transportiert werden: z.B. elektrischer Strom in Hochspannungsleitungen; Kohle per Schiff oder Bahn ins Kraftwerk; Öl und Gas über Pipelines von den Förderfeldern in Aufbereitungsstationen oder Holz, Brikett und Heizöl mit Lastkraftwagen zum Endverbraucher. Dabei treten Verluste auf, wie z. B. Reibungsverluste beim Stromtransport. Auch die Logistik selbst benötigt Energie. Die Verluste spielen nicht nur für den Preis eine Rolle, sondern dienen auch als Grundlage für die Beurteilung der Umweltbelastung durch unterschiedliche Energieoptionen.
Eine besondere Bedeutung hat der Transport elektrischer Energie von den Kraftwerken zu den Verbrauchern. Dafür sorgt ein dichtes Netz von Stromleitungen. Die Netze der einzelnen Anbieter sind miteinander verknüpft und bilden so ein äußerst flexibles Instrument zum Verteilen von Energie. Die internationale Verflechtung ermöglicht weiträumigen Stromaustausch über Grenzen, etwa bei Ausfall oder ungenügender Kapazität während Verbrauchsspitzen. Die Übertragungsverluste sind umso geringer, je höher die elektrische Spannung ist. Daher verwendet man zur Übertragung hoher Leistungen über große Entfernungen Höchstspannungsnetze von 380 kV oder 220 kV. Von diesen laufen Hochspannungsnetze mit 110 kV zu den Verbrauchszentren. Das Mittelspannungsnetz mit 10 kV oder 20 kV besorgt die weitere Verteilung zu den örtlichen Transformatorstationen. Von dort schließlich liefert das Niederspannungsnetz mit 230 V und 400 V Strom in Haushalte und Gewerbe. Zwischen den einzelnen Netzen liegen Umspannwerke, die den Übergang vom einen zum andern Spannungsbereich herstellen. Die Übertragungstechnik arbeitet meist mit Drehstrom, d. h. Dreiphasen-Wechselstrom.