Energie und Umwelt - Grundlagen unseres Lebens · Energie und Umwelt Energie und Energieresssourcen 2 gen, stellt man fest, dass Energie jedoch ein sehr junger Begriff ist, der erst

Energie und Energieresssourcen

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HbE, 16. Erg.-Lfg., Dezember 2005

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Energie und Umwelt –Grundlagen unseres Lebens

Dieter Kind

Der Energiebedarf der Menschen wird heute überwiegend durch die Verbrennung vonKohle, Erdöl und Erdgas gedeckt. Das Bewusstsein der Endlichkeit dieser wertvollenRohstoffe hat die Energiefrage zu einem zentralen Begriff für alle Überlegungen ge-macht, die auf die langfristige Zukunft des Lebens auf unserem Planeten gerichtet sind.Vor 150 Jahren haben zuerst Physiologen die Bedeutung der Energie für den Stoff-wechsel von Lebewesen erkannt, Physiker bestimmten den für die Umwelt kritischenEnergiehaushalt der Erde. Sie stellten Überlegungen dazu an, welche Auswirkung dieAusbeutung der fossilen Energievorräte hat und welche Aufgaben von der Menschheitgelöst werden müssen, wenn ihre Zukunft gesichert werden soll. Schon heute erkenn-bare Aufgaben für Wissenschaft, Technik und Wirtschaft werden genannt, sie müssenvon der Energiepolitik gefördert werden.

Inhaltsübersicht

Rn. Rn.

1 Zur Bedeutung der Energiefrage 1–3

2 Energie und Stoffwechsel – Die Entdeckung eines Physiologen (1842) 4–11

3 Der Energiehaushalt der Erde aus der Sicht eines Experimentalphysikers (1885) 12–19

4 Die physikalischen Rahmenbedingungen

unseres Daseins aus der Sicht eines Theoretischen Physikers (1976) 20–26

5 Energiepolitik aus der Sicht von Technik, Wirtschaft und Umwelt 27–40

6 Zusammenfassung und Folgerungen für zukünf-tiges Handeln 41–49

7 Literatur

1 Zur Bedeutung der Energiefrage

1

Kaum eine andere physikalische Größe hat heute in vergleichbaremUmfang Eingang in die öffentliche und insbesondere auch politischeDiskussion gefunden, wie die Energie. Hält man sich die Jahrtau-sende zurückreichende Entwicklung von naturwissenschaftlichen Be-reichen wie Astronomie, Mathematik, Mechanik oder Optik vor Au-

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gen, stellt man fest, dass Energie jedoch ein sehr junger Begriff ist, dererst vor etwa 150 Jahren bei der Entwicklung der Thermodynamikeingeführt wurde.

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Zuvor hatte man in Lebewesen eine besondereLebenskraft (vis vitalis) angenommen, der man alle Leistungen zu-schrieb, die unverständlich blieben. Erst die Anwendung der im un-belebten Bereich durch zählende und messende Untersuchungen ent-deckten und formulierten Naturgesetze auf die Biologie zeigte, dassdiese auch dort gelten. So war es kein Zufall, dass die Äquivalenz vonmechanischer Arbeit und Wärme als nur unterschiedliche Arten vonEnergie zuerst bei medizinischen Untersuchungen festgestellt wurde.

2

Die zur Aufrechterhaltung des Stoffwechsels erforderliche interneEnergie muss von außen zugeführt werden. Die Geschichte dermenschlichen Entwicklung, seiner Technik, Kultur und Zivilisationist jedoch von der zusätzlichen Verfügbarkeit externer Energiequellenund ihrer Anwendung nicht zu trennen. Eine ausreichende Deckungdes Energiebedarfs, in welcher Form er auch immer auftritt, ist Vo-raussetzung für das Leben eines jeden Einzelnen und für jedemenschliche Gemeinschaft. Im vergangenen Jahrhundert hat sichjedoch die Weltbevölkerung auf heute über 6 Milliarden Menschenvermehrt. Insgesamt hat der Verbrauch an Energie einen Umfang an-genommen, der ernste ökologische Rückwirkungen hervorgerufenhat oder zumindest befürchten lässt. Dies betrifft auch den Men-schen, seine Nahrungsversorgung, den Wasserhaushalt und insbeson-dere Klimaveränderungen mit ihren vielen denkbaren Folgen. Es istdaher festzuhalten, dass der Energiebedarf der Menschen und derSchutz ihrer natürlichen Umwelt zusammen gesehen werden müssen.Energie und Umwelt werden daher heute mit vollem Recht gemein-sam als Grundlagen unseres Lebens verstanden.

3

Die folgenden Ausführungen sind die erweiterte Bearbeitung einerfrüheren Veröffentlichung des Verfassers und der Versuch, die Ener-giefrage in dem für uns Menschen relevanten Zusammenhang mit derUmwelt darzustellen [1]. Fachleute werden keine neuen Fakten erfah-ren und möglicherweise von der Unvollständigkeit der Darstellungenttäuscht sein. Die Arbeit richtet sich jedoch vor allem an Leser, dieeine grundsätzliche Orientierung suchen. Dabei soll auch auf wenig

1 Der Begriff

Energie

wurde auf Vorschlag von Thomas Young (1773–1829) aus demgriechischen Wort

energeia

= Wirkungsvermögen abgeleitet.


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bekannte Überlegungen zurückgegriffen werden, die weitsichtigeForscher schon vor langer Zeit angestellt haben.

2 Energie und Stoffwechsel – Die Entdeckung eines Physiologen (1842)

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Der Schiffsarzt Julius Robert Mayer hatte beobachtet, dass das Blutder Matrosen unter tropischen Bedingungen eine mehr hellrote Fär-bung aufwies als unter dem heimischen Klima. Er hat daraus den rich-tigen Schluss gezogen, dass bei höheren UmgebungstemperaturenOxydationsprozesse im Organismus weniger intensiv verlaufen, weilein Teil der vom Körper benötigten Wärme von der Umwelt bereitge-stellt wird. Nach seiner Rückkehr nach Heilbronn 1841 sandte er einManuskript mit dem Ergebnis seiner Untersuchungen an die Redak-tion von „Poggendorfs Annalen der Physik“, doch wurde dieses zu-nächst abgelehnt. Die Arbeit erschien erst im folgenden Jahr in den„Annalen der Chemie und Pharmacie“, nachdem sich Justus von Lie-big dafür eingesetzt hatte [2].

5

Heute nennen wir Mayers Entdeckung das

Gesetz von der Erhaltungder Energie.

Es nimmt in der Naturwissenschaft eine besondere Stel-lung ein und besagt, dass bei einer Energieumwandlung innerhalb ei-nes geschlossenen Systems die Gesamtenergie konstant bleibt. Er warder Erste, der die Äquivalenz von Wärme und mechanischer Arbeitquantitativ bestimmt hat. Hermann von Helmholtz veröffentlichte1847 ohne Kenntnis der Mayerschen Arbeit seinen berühmten Auf-satz „Über die Erhaltung der Kraft“, wobei in heutiger Ausdrucks-weise die „Erhaltung der Energie“ gemeint war. Hier findet sich dieerste vollständige Formulierung des Energieerhaltungssatzes.

6

Bereits die Entstehung des Lebens auf unserer Erde kann über denEnergieumsatz der Lebewesen erklärt werden. Bei den zunächst auf-getretenen wechselwarmen Arten war der Stoffwechsel wesentlichvon der Umgebungstemperatur bestimmt, wodurch die Entwicklungzu höheren Stufen der Evolution stark behindert wurde. Diese blieberst den gleichwarmen Arten vorbehalten. So war es eine Vorausset-zung für das Auftreten der ersten Säugetiere vor etwa 200 MillionenJahren, dass Organismen mit Thermoregulierung entstanden, die einewesentlich höhere Energiezufuhr ohne schädliche Erhöhung der

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Körpertemperatur erlaubten. Dies wird als Überwindung einer1. Wärmeschwelle bezeichnet [3, 4].

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Unsere heutige Zivilisation hätte sich jedoch auch unter Ausnutzungaller Möglichkeiten einer Thermoregulierung allein nicht entwickelnkönnen. Vielmehr bedurfte es der Überwindung einer 2. Wärme-schwelle, um den durch Thermoregulierung ermöglichten Entwick-lungsbereich noch weiter zu vergrößern. Sie gelang durch die nutz-bringende Anwendung externer Energie in vorher nicht gekanntemAusmaß. Von allen gleichwarmen Lebewesen ist dies nur den Men-schen gelungen. Voraussetzung war eine gesteigerte Fähigkeit, mitInformationen umzugehen, sie aufzunehmen, zu speichern und zuverwerten.

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Erst die Nutzung externer Energie vor etwa 750.000 Jahren schuf dieVoraussetzung für eine weitere Stufe der Evolution. Tabelle 2.1 zeigt,wie seitdem der individuelle Energieverbrauch der Menschen, ausge-drückt durch die mittlere Leistung, stark zugenommen hat. Die füreine gesunde Ernährung erforderliche Energie ist nur ein sehr kleinerTeil des Gesamtverbrauchs. Der dafür empfohlene Wert von12.500 kJ pro Tag entspricht einer mittleren Leistung von 145 W.

Abb. 2.1:

Julius Robert Mayer 1814–1878, Bestimmung des mechanischen Wärmeäquivalents (Quelle: Deutsches Museum)


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Tab. 2.1:

Energieverbrauch pro Kopf während der Entwicklung der mensch-lichen Zivilisation (Werte nach [3, 4]).

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Der erste Schritt ins neue Leben begann für den Urmenschen mit derZähmung des Feuers zum Wärmen der Wohnstätte, zur Abschre-ckung wilder Tiere und zur Zubereitung sonst ungenießbarer Speisen.Dies gab unseren Vorfahren die Möglichkeit, ihren Pro-Kopf-Ener-gieverbrauch von zuvor etwa 100 W wesentlich zu steigern. Heuteliegt dieser Wert im Weltdurchschnitt bei über 2.000 W, in Deutsch-land bei 6.000 W und in den USA bei 11.000 W [5].

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Wenn man auch die komplizierten chemisch-physikalischen Pro-zesse, die unser Klima bestimmen, noch keineswegs voll verstandenhat oder gar vorhersagen kann, besteht doch kein Zweifel mehr daran,dass die als Treibhauseffekt bezeichnete Erwärmung der unterenErdatmosphäre vom Energieverhalten der Menschen beeinflusstwird. Auch andere für den natürlichen Lebensraum schädliche Aus-wirkungen werden durch das Energieverhalten des Menschen beein-flusst. Damit deutet sich eine ökologisch bedingte Begrenzung desEnergieverbrauchs der Menschheit insgesamt an, die als eine3. Wärmeschwelle der Evolution interpretiert werden kann [3, 4]. ImGegensatz zu den ersten beiden Wärmeschwellen betrifft sie nichtindividuelle Organismen, sondern alle Menschen und mit ihnen vieleandere Populationen.

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Das Weiterbestehen der menschlichen Gesellschaft in der uns heuteso selbstverständlich erscheinenden Form hängt nach dieser Überle-gung davon ab, ob es gelingt, ein stabiles Gleichgewicht zwischen der

Zeit Niveau derEvolution

Verbrauch in kJpro Tag

Verbrauch in Wim Jahresmittel

2.000.000 v.Chr. Urmensch– ohne Feuer

9.000 100

750.000 v.Chr. Urmensch– mit Feuer

21.000 240

6.000 v.Chr. Domestizierung 50.000 5801800 n.Chr. Industrielle

Revolution320.000 3.700

2000 n.Chr. Gegenwart – Deutschland

520.000 6.000

Gegenwart – Gesamte Welt

180.000 2.100

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Deckung des lebensnotwendigen Bedarfs an Energie und den davonverursachten Folgen für die natürliche Umwelt zu gewährleisten.

3 Der Energiehaushalt der Erde aus der Sicht eines Experimentalphysikers (1885)

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Heinrich Hertz, Schüler von Hermann von Helmholtz und Entdeckerder elektromagnetischen Wellen, hielt nach seiner Berufung als or-dentlicher Professor der Physik an der Technischen Hochschule Karls-ruhe am 20. April 1885 seine Antrittsvorlesung. Als Titel wählte er dieÜberschrift dieses Kapitels und dürfte damit einer der Ersten gewesensein, der diesen heute zu einem festen Begriff gewordenen Terminusverwendete [6]. Mit Bewunderung stellt man fest, dass er nicht nur diewichtigsten, das Klima der Erde bestimmenden, Energieströme er-kannt sondern auch quantitativ ungefähr richtig abgeschätzt hat.

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Zunächst sollen hier einige Abschnitte aus dem erst vor wenigen Jah-ren bekannt gewordenen Manuskript seines Vortrags

2

zitiert werden:„ ... [Der Mensch erfand] in der Dampfmaschine ein Mittel, die inder Steinkohle schlummernde Energie ins Leben zurückzurufen.… In neuester Zeit aber richtet sich sein Blick auch wieder den an-deren Kraftquellen, dem Winde, dem Wasser, der Sonnenwärmezu. Auf der einen Seite drängt dazu die sichere Voraussicht, dassdie Steinkohlen mit der Zeit schwieriger und schwieriger zu erlan-gen sein werden, auf der anderen Seite locken die Versicherungender Elektrotechnik

3

, welche jene übrigen Kraftquellen ihrer natür-lichen Fehler zu entkleiden verspricht. Sie will die ursprünglich anden Ort gebundenen Kräfte der Wasserfälle auf beliebige Streckenfortleiten, sie will die unberechenbare und unregelmäßige Kraftdes Windes aufspeichern und sie so berechenbar und regelmäßig

2 Hertz schickte das schwer lesbare handschriftliche Manuskript seinem Vater, eineVeröffentlichung unterblieb jedoch. Es wurde 1948 an ein englisches Antiquariat ver-äußert und gelangte von dort über eine Schenkung an die Harvard University. Dortwurde es schließlich 1994 von Prof. J. F. Mulligan gefunden und in Zusammenarbeitmit Prof. H. G. Hertz, Karlsruhe, im Jahre 1997 in Englisch veröffentlicht [7]. EineFassung in der deutschen Originalsprache erschien erst 1998 [6].

3 Die Bezeichnung „Elektrotechnik“ für technische Anwendungen der Elektrizitätwurde erst sechs Jahre zuvor von Werner Siemens vorgeschlagen.


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machen. ... Keine Maschinen lassen sich erdenken, in welchen dieEnergie selbst erzeugt würde. Aber es sind auch keine Maschinenmöglich, welche ein und dasselbe der Natur entnommene Quan-tum von Energie nach dem Gebrauche stets wieder sammelten, inden ursprünglichen Zustand zurückführten und so zu neuem Ge-brauche fähig machten. Ein Kreislauf der Energie ist nicht mög-lich, sie wird bei der Umwandlung aus einer Form in eine anderezwar nicht zerstört, wohl aber zerstreut. Sie geht in letzter Instanzstets in eine und dieselbe Form über: Die der Wärme von niedrigerTemperatur und hat alsdann die Fähigkeit verloren, in eine der frü-heren Formen zurückverwandelt zu werden

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. …[Es] ist im Sonnensystem im Anbeginn auf rätselhafte Weise dieEnergie angehäuft in der hohen Glut der Sonne, in der Bewegungder Gestirne; in diesen Zuständen ist sie verwandelbar, aber vondiesem Zustande geht sie … unaufhaltsam und unaufhörlich in ih-ren wertlosen Endzustand über. Alle Vorgänge auf unserem Erd-ball, das Wehen des Windes, das Strömen des Meeres sind nurEpisoden in diesem Übergang, auch das ganze organische Lebender Erde und unsere eigene Existenz erscheinen vom mechani-

Abb. 3.1:

Heinrich Hertz 1857–1894, Entdecker der elektromagnetischen Wellen (Quelle: Deutsches Museum)

4 In der Thermodynamik wird die hier als „Zerstreuung“ genannte Umwandlung vonEnergie durch die Begriffe

Exergie

für den in Nutzarbeit verwandelbaren Anteil und

Anergie

für den irreversibel als Wärme der Umgebung verloren gehenden Anteil be-zeichnet. Siehe auch Kapitel 4.

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schen Standpunkt aus nur als komplizierte Umwege, welche dieEnergie nimmt, um von ihrem Anfangszustand in ihren Endzu-stand überzugehen. …Unter diesen Umständen erscheint es lohnend, einmal systema-tisch die verschiedenen Formen, unter welchen die aufgespeicherteEnergie uns entgegen tritt, zu mustern und nicht allein die Abhän-gigkeit, sondern auch die Mengenverhältnisse der verschiedenenFormen zu betrachten. … Was wir fragen, ist dies: Wie groß ist dieMenge der Energie, welche sich beständig von der Oberfläche derErde in andere Formen umsetzt, aus welchen ursprünglichenQuellen ist sie entnommen, in welcher Reihenfolge durchläuft siedie verschiedenen Formen, und wie viel der gesamten Menge ist injeder der einzelnen Formen vorhanden?“

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Hertz hat die quantitativen Ergebnisse seiner Abschätzungen zumbesseren Verständnis für seine Zuhörer in einem würfelförmigenDiagramm dargestellt, das nach den Angaben im Text rekonstruiertwerden konnte. Die Verfasser von [7] haben die Schätzungen für dieeinzelnen Energieströme zusammengestellt und mit den 1985bekannten zuverlässigsten Daten verglichen. Tabelle 3.1 enthälteinige dieser Angaben.

Tab. 3.1:

Vergleich von Schätzungen, die Hertz 1885 vorgenommen hat, mitSchätzungen aus dem Jahr 2002 [8]

Energieströme Schätzung nach Hertz

Leistung in Watt

Schätzung nach Pelte [8]

Leistung in Watt Einfallendes Sonnenlicht 2,5 · 10

17

= 100% 1,7 · 10

17

= 100%– davon durch Reflexion

wieder abgestrahlt9,0 · 10

16

= 36% 34%

– davon absorbiert und als Wärme wieder abgegeben

1,6 · 10

17

= 64% 66%

Umwandlung in Erdwärme 1,0 · 10

17

= 40% 42%Wasserverdampfung Erdoberfläche

4,2 · 10

16

= 17% 23%

Leistung des Windes 4,0 · 10

15

= 1,6%Wärmestrom vom Erd-inneren

2,8 · 10

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Photochemische Synthese 1,5 · 10

13

Menschlicher Energiebedarf (mittlere Leistung)

1,1 · 10

13

= 0,007%


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Es ist erstaunlich, dass Hertz bereits vor 120 Jahren eine so guteSchätzung der Energieströme der Erde abgeben konnte. Dies giltauch für den Wärmestrom aus dem Erdinneren zur Erdoberfläche,obwohl er natürlich nicht wissen konnte, dass etwa zwei Drittel davonaus dem radioaktiven Zerfall in der Erdkruste herrühren. Die Radio-aktivität wurde erst 1896 von Henry Becquerel entdeckt und dieKernenergie, die auch die Energiequelle der Sonne ist, gar erst 1938durch Otto Hahn.

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Dieses bisher auf historischer Quelle behandelte Kapitel soll durcheine grafische Darstellung des Energiehaushalts der Erde nach demheutigen Stand des Wissens ergänzt werden. Abbildung 3.2 zeigt einSchaubild, das von einer an der Universität Heidelberg von D. Pelteentwickelten Vorlage abgeleitet wurde.

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Nach Tabelle 3.1 beträgt die von der Sonne auf die Erde eingestrahlteLeistung 1,7 · 10

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W. Davon werden 34% durch Reflexion an Erd-

Abb. 3.2:

Schaubild des Energiehaushalts der Erde nach [8]

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atmosphäre und Erdoberfläche wieder in den Weltraum zurückge-strahlt. 66% der ursprünglichen Leistung werden von der Erdatmos-phäre (16%) und von der Erdoberfläche (50%) absorbiert und alsWärme wieder an den Weltraum zurückgegeben. Die Erde steht alsomit dem Weltraum im Strahlungsgleichgewicht, wie es bereits Hertzso anschaulich schilderte.

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Um einen Vergleich seiner Ergebnisse mit den von Menschen bewirk-ten mechanischen Energieströmen zu ermöglichen, bezieht Hertzsich in seinem „Würfeldiagramm“ auf die Arbeit, „welche sämtlicheDampfmaschinen der Erde während der Zeiteinheit leisten könnten,wenn sie zusammen ununterbrochen tätig wären.“ In seinem Dia-gramm ist der zugehörige Wert nicht mehr darstellbar. Für unsereTage kommt die Heidelberger Abschätzung des menschlichen Ener-gieverbrauchs auf 1,1 · 10

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W das entspricht 0,007% der globalenEinstrahlung.

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So vernachlässigbar klein der menschliche Energieverbrauch auch er-scheint, so wenig ist diese Abschätzung als dauerhafte Beruhigung zuverstehen. Voraussagen über den zukünftigen Energiehunger derMenschheit sind wesentlich unsicherer als die Abschätzung des En-ergiehaushalts des Raumschiffs Erde. So ist nicht auszuschließen,dass die insgesamt von Menschen genutzte Primärenergie im Laufedes nächsten Jahrhunderts 0,1% der solaren Einstrahlung erreicht.Dieser Wert wird von Experten als obere Grenze angesehen, bei derenÜberschreitung eine Störung des Energiehaushalts der Erde zu be-fürchten ist. Dabei ist zu bedenken, dass der menschliche Wärmeein-trag keineswegs gleichmäßig über den Erdball verteilt ist. Seine Kon-zentration auf Ballungszentren hat zur Folge, dass dort die Auswir-kungen zuerst spürbar werden [8].

4 Die physikalischen Rahmenbedingungen unseres Daseins aus der Sicht eines Theoretischen Physikers (1976)

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Das in Kapitel 2 beschriebene

Gesetz von der Erhaltung der Energie

wird heute als

1. Hauptsatz der Thermodynamik

bezeichnet. So ein-gängig und gut verständlich dieser auch ist, so irreführend kann er


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sein, wenn es darum geht, aus der Energie eines Systems eine be-stimmte Nutzarbeit (Exergie) zu erhalten. Der Grund dafür ist, dassbei jeder Umwandlung Verluste (Anergie) auftreten. Der Energie-erhaltungssatz sollte daher korrekt geschrieben werden:

Energie = Exergie + Anergie = const. 5

21Der Wirkungsgrad einer Umwandlung ergibt sich erst aus dem weitweniger anschaulichen 2. Hauptsatz der Thermodynamik. Dieser gehtauf Überlegungen von Sadi Carnot zurück und wurde 1865 vonRudolf Clausius durch Einführung der Entropie als eigenständigeZustandsgröße allgemein formuliert. Er besagt, dass nur ein Teil derGesamtenergie eines geschlossenen Systems in Nutzenergie umge-wandelt werden kann, wenn die Umwandlung auf dem Umweg überthermische Energie erfolgt. Der Grund dafür ist, dass Wärme nichtvon selbst von einem kälteren auf einen wärmeren Körper übergeht.Deshalb müssen wir zwischen umkehrbaren und nicht umkehrbarenEnergieumwandlungen unterscheiden. Das ist vor allem dann vongroßer energiewirtschaftlicher Bedeutung, wenn Wärme in mechani-sche oder elektrische Energie umgewandelt werden soll. Wie im vor-hergehenden Kapitel dargestellt, hat Heinrich Hertz diese Zusam-menhänge in seiner Antrittsvorlesung anschaulich dargestellt.

5 Wenn, wie üblich, von „Energieverbrauch“ gesprochen wird, so ist damit streng ge-nommen der Verbrauch von nutzbarer Energie (Exergie) zu verstehen.

Abb. 4.1: Friedrich Hund 1896–1997, theoretischer Physiker

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22 Wie andere Wissenschaftler hat sich auch Friedrich Hund (s. Abbil-dung 4.1), ein Altmeister der theoretischen Physik, schon vor Jahr-zehnten über die Bedeutung der Energie für die langfristige Zukunftder Menschheit Gedanken gemacht. Inhaltlich mit anderen Autorenübereinstimmend, unterscheidet er in besonders anschaulicher For-mulierung vier zeitliche Phasen [9]:

„Bei der Wichtigkeit der Energieversorgung für unsere Zivilisationkönnte man versucht sein, die Menschheitsgeschichte in folgendeAbschnitte zu gliedern:[Abschnitt 1] die Vergangenheit (bis ins 19. Jahrhundert), in der

man mit der Sonnenenergie auskam,[Abschnitt 2] das Zeitalter der Ausplünderung von Vorräten (im

Wesentlichen das 20. Jahrhundert), wobei einigeVölker recht gut leben und es auch zu einem hohenStand der experimentellen Wissenschaften ge-kommen ist;

[Abschnitt 3] eine Übergangszeit, in der man sich der kommen-den Erschöpfung der Vorräte bewusst ist und sichauf sie einstellt,

[Abschnitt 4] eine Zukunft, in der man wieder mit der Sonnen-energie allein auskommt, aber zum Unterschiedvon 1 mit fortgeschrittener Technik.“

23 Wir leben offenbar in der Übergangszeit (Abschnitt 3) und beginnen,die Begrenztheit der fossilen Energieträger bei Überlegungen zur Zu-kunft kommender Generationen zu berücksichtigen. Dabei kommt esdarauf an, dass die Menschheit alle ihre Fähigkeiten einsetzt, umohne ökologische oder gesellschaftliche Katastrophen den stabilenBereich (Abschnitt 4) zu erreichen. Die Aussichten, dieses Ziel zuverwirklichen, sind nach Hund umso größer, je länger die Übergangs-zeit durch Ausnutzung aller Optionen einer fortgeschrittenen Tech-nik gestaltet werden kann. Diese richtige und wichtige Erkenntnisdarf bei in die Zukunft gerichteten energiepolitischen Entscheidun-gen nicht übersehen werden.

24 In der Beschreibung des Abschnittes 4 erkennt man eine Überein-stimmung mit dem in Kapitel 2 eingeführten Begriff einer 3. Wärme-schwelle. Ihre Überwindung ist Voraussetzung für eine insgesamt sta-

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bile Entwicklung der Biosphäre, die auch der menschlichen Zivilisa-tion einen gesicherten Lebensraum gewährt.

25In Abbildung 4.2 wird der Versuch unternommen, die Überlegungenvon Hund zu den auf die Energie bezogenen Abschnitten derMenschheitsgeschichte zu veranschaulichen. Dazu werden einiger-maßen plausible Annahmen über die „Reichweite“ der fossilen Vor-räte gemacht und auf einer Zeitskala dargestellt. Natürlich sind dieÜbergänge zwischen den einzelnen Abschnitten fließend, sie erstre-cken sich über längere Zeiträume.

26Für die Dauer der „Übergangszeit“ des Abschnitts 3 ist auch zu be-denken, dass der Wert der fossilen Energieträger mit zunehmenderVerknappung steigen wird. Sie werden dann immer weniger zur En-ergieerzeugung eingesetzt, sondern bevorzugt für eine hochwertigereNutzung z.B. in der Chemie oder für neue Werkstoffe verwendet. Das

Abb. 4.2: Energiebezogene Abschnitte der Menschheitsgeschichte nach F. Hund 1976


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Bild zeigt jedoch auch, dass die Zeit bis zur vorhersehbaren Erschöp-fung der fossilen Energiequellen zwar noch viele Generationen dau-ern wird, aber eben doch endlich ist. Es ist daher dringend notwendig,diese Zeit zur Entwicklung „fortgeschrittener Technik“ zu nutzen unddiese, soweit es wirtschaftlich vertretbar ist, auch einzusetzen. Einigeschon heute erkennbare Optionen hierfür werden im Kapitel 6 ange-geben.

5 Energiepolitik aus der Sicht von Technik, Wirtschaft und Umwelt

27 Energie ist nicht nur Grundlage des individuellen Lebens, sondernauch jeder Gesellschaft, sei es einer Stadt, eines Landes oder der gan-zen Welt. Ohne ausreichende Energieversorgung wäre unsere heutigeZivilisation nicht zu bewahren. Daher ist die Befriedigung des Ener-giebedarfs nicht nur eine technisch-wissenschaftliche Herausforde-rung, sondern zugleich eine gesellschaftliche Aufgabe. Es darf folg-lich nicht überraschen, dass die öffentliche Diskussion in hohemMaße von Emotionen und Stimmungen bestimmt wird, und dadurchoft auch die realistischen Optionen aus dem Blick verliert.

28 Das der Forstwirtschaft entlehnte Prinzip der nachhaltigen Entwick-lung (sustainable development) ist in den letzten Jahren zu einem an-erkanntem Ziel verantwortlichen Zukunftshandelns geworden. Ihranspruchsvolles Ziel ist eine Entwicklung, welche die Verbesserungder ökonomischen und sozialen Lebensbedingungen aller Menschen,die heute und zukünftig leben, mit der langfristigen Sicherung der na-türlichen Lebensgrundlagen in Einklang bringt. Diese generelle For-derung dürfte weitgehend konsensfähig sein, bedarf jedoch als An-weisung für konkretes Handeln einer näheren Interpretation [10].

29 Für die Energiepolitik ergibt sich daraus die Zielsetzung, den Ener-giebedarf der Menschen unter gleichrangiger Berücksichtigung derdrei untereinander in Konkurrenz stehenden Ziele• Wirtschaftlichkeit,• Versorgungssicherheit und • Umweltverträglichkeit



zu befriedigen. Die folgenden sehr pauschalen Angaben sollen kurzdie heutige Situation in Deutschland darstellen.

30Einen Überblick über den Verbrauch von Primärenergie und die Er-zeugung von elektrischer Energie in Deutschland gibt Abbildung 5.1,das im Wesentlichen als repräsentativ für das volle Jahrzehnt bis 2010angesehen werden kann. Das linke Diagramm zeigt, dass etwa 84%der Primärenergie aus fossilen Energieträgern gedeckt werden, die imVerlauf der Erdgeschichte aus Sonnenenergie gebildet wurden.

31Die rechts dargestellte elektrische Energie betrug im Jahr 2000 nuretwa 14% der gesamten Primärenergie, aus der sie mit einem Gesamt-wirkungsgrad von kaum über 40% erzeugt wird, und dennoch mussman sie unabhängig von anderen Energieformen für sich betrachten.Da sie mit hohem Wirkungsgrad in praktisch alle anderen Ener-gieformen umgewandelt werden kann, ist sie im Gegensatz zur Pri-märenergie als nahezu reine Nutzenergie anzusehen. Sie ist auch wirt-schaftlich übertragbar und teilbar. Eine sichere Stromversorgung istdaher heute für das tägliche Leben der Menschen in den industriali-sierten Ländern völlig unverzichtbar, wie die nahezu katastrophalenFolgen größerer Stromausfälle (Blackouts) der letzten Jahre in ver-schiedenen Ländern gezeigt haben.

32Tatsächlich nimmt der Anteil der elektrischen Energie wegen ihreruniversellen Einsetzbarkeit und insbesondere auch zur Erzielung ei-

Abb. 5.1: Primärenergieverbrauch und Stromerzeugung in Deutschland imJahr 2000 nach [11]


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ner effektiveren Energienutzung insgesamt stetig zu. Ihr prinzipiellerNachteil, die fehlende direkte Speicherbarkeit in energietechnischemMaßstab, hat allerdings zur Folge, dass sich die Erzeugung in jedemAugenblick dem zeitlich veränderlichen Verbrauch anpassen muss.Deshalb ist die elektrische Energie nicht nur ein beliebig handelbaresWirtschaftsgut, sondern zugleich eine Dienstleistung, die jederzeitsofort abrufbar sein muss.

33 Seit einigen Jahren wird die möglichst rasche Erschließung von Quel-len so genannter „erneuerbarer Energie“ zur Verminderung des CO2-Problems und gegebenenfalls auch als Ersatz für die Abschaltung vonKernkraftwerken betrieben. Obwohl diese Anstrengungen überwie-gend nur die Stromerzeugung und damit nach Abbildung 5.1 nur ei-nen Bruchteil des Problems betreffen, ist dies ein zentraler Begriff inder Energiediskussion nicht nur in Deutschland geworden.

34 Für eine vergleichende Bewertung der oft sehr unvollständigen Anga-ben über verschiedene Kraftwerksarten benötigt man charakteristi-sche Kenndaten. Neben dem Wirkungsgrad ist dabei die Jahresbenut-zungsdauer eine wichtige Größe. Sie gibt an, in wie vielen von den8.760 Stunden eines Jahres bei Nennleistung die gleiche Energie er-zeugt würde wie bei dem wirklichen Betrieb:

35 Braunkohle- oder Kernkraftwerke, die zur Deckung der so genanntenGrundlast eingesetzt werden, können mit etwa TB = 8.000 h betrie-ben werden. Windkraftanlagen erreichen an Land nur etwa 2.000 h,auf See bis zu 4.000 h, Solaranlagen in unseren Breiten sogar nur etwa1.000 h.

36 Für den Wert einer Kilowattstunde ist es auch entscheidend, ob eineAnpassung an den zeitlich veränderlichen Bedarf möglich ist. Bei derBewertung verschiedener Kraftwerksarten reicht es nicht, die jährlicherzeugte Energie zu vergleichen, sondern es muss auch berücksichtigtwerden, ob die abgegebene Leistung sich an den veränderlichen Be-darf anpassen kann.

37 Da nach dem heutigen Stand der Technik geeignete Speicher zurAufnahme überschüssiger Energie nicht verfügbar sind, sind demwirtschaftlichen Einsatz insbesondere von Wind- und Photovoltaik-anlagen zunächst noch enge Grenzen gesetzt.



Optionen für erneuerbare Energie sind vor allem:• Wasserkraftenergie aus dem jährlichen Klimakreislauf

Wasserkraft besitzt bei weitem das größte Potenzial. Sie über-nimmt heute weltweit etwa 20% der Stromerzeugung, kann jedochin Deutschland kaum über die heutigen 4% weiter ausgebaut wer-den. Immerhin ermöglichen schon heute leistungsfähige Hoch-spannungs-Kabelverbindungen mit Skandinavien eine wirtschaft-liche Nutzung des dortigen großen Wasserkraftpotenzials.

• Energie aus der Biomasse jeder Vegetationsperiode Biomasse, z.B. Holz und pflanzliche Stoffe, sowie Biogas könntenbei einem Potenzial, das auf nahezu 10% geschätzt wird, auch inDeutschland wesentlich mehr genutzt werden. 2 kg gepressteHolzpellets haben etwa den gleichen Energieinhalt wie 1 l Benzin.

• Windenergie aus den LuftströmungenDie Technik der Nutzung von Windenergie hat in den letztenJahrzehnten große Fortschritte erzielt. Durch die Höhe der ge-setzlich festgelegten Einspeisevergütung ist die Errichtung vonWindkraftanlagen eine sichere Kapitalanlage allerdings auf Kostender Allgemeinheit geworden, sie bestimmen schon heute an vielenStandorten das Landschaftsbild und führen dort oft zu Akzep-tanzproblemen. Technische Probleme und wirtschaftliche Nach-teile, die sich aus den unberechenbaren Schwankungen der Ein-speisung ins Netz ergeben, werden durch die geplanten großenOffshore-Anlagen weiter zunehmen.

• Sonnenstrahlung für thermische oder elektrische Energie Solarstromerzeuger auf der Basis von Photovoltaik haben in Äqua-tornähe ein großes Entwicklungspotenzial, sind jedoch für unsereBreiten wegen ihrer kleinen Jahresbenutzungsdauer energiewirt-schaftlich noch kritischer zu beurteilen. Solarthermische Nutzungist dagegen nach dem heutigen Entwicklungsstand bei dezentralenAnlagen schon eher als eine auch energiewirtschaftlich aussichts-reiche Zukunftsoption anzusehen.

38Letztlich sind alle diese Energiearten auf die Strahlung der Sonne zu-rückzuführen, deren Quelle die Kernfusion von Wasserstoffatomenist. Diesen mit hoher Energiefreisetzung verbundenen Prozess kon-trolliert auf der Erde ablaufen zu lassen, ist das anspruchsvolle unddurch die in den letzten Jahren erreichten Fortschritte näher gerückteZiel der Kernfusionsforschung. Wenn eines Tages wirtschaftliche Fu-


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sionskraftwerke errichtet werden könnten, stünde eine Energiequellezur Verfügung, die wegen der praktischen Unbegrenztheit des benö-tigten Brennstoffs zu Recht als erneuerbar bezeichnet werden dürfte.

39 Etwa 70% des inneren Wärmehaushalts der Erde stammt aus demZerfall der radioaktiven Elemente Kalium, Uran und Thorium in derErdkruste. Sie erzeugen an der Erdoberfläche eine konstante Wärme-stromdichte von 45 mW/m2 [12], was einer Jahresenergie von200.000 TWh und damit etwa dem Doppelten der heute weltweitverbrauchten Primärenergie entspricht. Dies ist eine der Quellen deroben nicht erwähnten Erdwärme, die aus geologischen Gründen abernur regionale Bedeutung hat wie z.B. in Island. Auch in Deutschlandgibt es einige Anlagen, deren weiterer Ausbau aber nur wenige Pro-zent des heutigen Strombedarfs decken könnte. Wegen ihrer Uner-schöpflichkeit ist jedoch auch Erdwärme eine erneuerbare Energie.

40 Nach Abbildung 5.1 lieferten die erneuerbaren Energien im Jahre2000 etwa 2,8% der Primärenergie und 9,8% der Stromerzeugung inDeutschland. Wenn auch durch massive staatliche Förderung be-trächtliche Steigerungsraten erzielt werden und für 2020 ein Anteilvon 20% der Stromerzeugung geplant ist, besteht doch keine Aus-sicht, dass sie in überschaubarer Zukunft zu einer tragenden Säule derEnergiebedarfsdeckung in Deutschland und in vergleichbaren Län-dern werden können [5].

41 Diese Einschätzung sollte jedoch nicht als eine Empfehlung verstan-den werden, die Förderung der technisch-wissenschaftlichen Ent-wicklung von Quellen erneuerbarer Energien zu vernachlässigen. Inder heutigen Situation könnten jedoch die von der Volkswirtschaftaufzubringenden begrenzten Mittel sehr viel effektiver durch andereOptionen6 als durch einen verstärkten Ausbau von Wind- und Son-nenkraftwerken in Deutschland eingesetzt werden. Dazu zählen ne-ben effektiverer Energienutzung im Baubereich und im Verkehr vorallem Entwicklungen zur weiteren Steigerung des Wirkungsgradesvon Wärmekraftwerken und die Verlängerung der Betriebszeit vonKernkraftwerken [13].

6 Andere Optionen wie z.B. die Entwicklung fossiler Kraftwerke mit verbessertemWirkungsgrad können beim heutigen Stand der Technik einen wesentlich größerenBeitrag zum Klimaschutz leisten.



6 Zusammenfassung und Folgerungen für zukünftiges Handeln

42Die Evolution der Lebewesen wurde wesentlich durch zwei Entwick-lungsstufen bestimmt. Die Thermoregulation ermöglichte den Säu-getieren und Vögeln vor etwa 200 Millionen Jahren die Überwindungeiner 1. Wärmeschwelle und sie erreichten als Gleichwarme einenvielfach höheren Stoffwechselumsatz als die viel älteren Wechselwar-men. Die Nutzung des Feuers als externe Energie kennzeichnet dieÜberwindung einer 2. Wärmeschwelle und damit den Beginn dermenschlichen Zivilisation vor etwa 750.000 Jahren. Julius RobertMayer hat als Erster die Bedeutung der Energie für den Stoffwechselvon Lebewesen erkannt und daraus den Energieerhaltungssatz abge-leitet.

43Die starke Steigerung der Nutzung externer Energie durch den Men-schen in Verbindung mit dem Wachstum der Weltbevölkerungerzwingt wegen ökologischer Rückwirkungen eine Begrenzung desGesamtverbrauchs. Dies kann im Sinne der Evolution als eine3. Wärmeschwelle interpretiert werden, die jedoch nicht das einzelneIndividuum, sondern die ganze Menschheit und die Erde insgesamtbetrifft. Es ist eine Aufgabe für viele kommende Generationen, durcheine evolutionäre Entwicklung auch diese Schwelle zu überwindenund damit die Voraussetzung für ein friedliches Miteinander vonMensch und Natur zu schaffen.

44Schon lange bevor „Energie und Umwelt“ zu einem zentralen Themader gesellschaftspolitischen Diskussion wurden, haben sich voraus-schauende Wissenschaftler mit dieser Frage befasst. Heinrich Hertz,der Entdecker der elektromagnetischen Wellen, und Friedrich Hund,ein Altmeister der Quantenphysik, zählen zu ihnen. Ihre lange zu-rückliegenden Überlegungen waren wenig bekannt und sind doch vonaktueller Relevanz.

45Die Deckung des menschlichen Energiebedarfs erfolgt heute über-wiegend aus fossilen Quellen, die im Laufe der Erdgeschichte durchSonnenenergie entstanden sind. Die wirtschaftliche Nutzung dieserEnergievorräte ist von endlicher Dauer, auch wenn sie insbesonderebei Kohle noch Jahrhunderte möglich sein wird. Es ist auch zu be-fürchten, dass die Freisetzung der in Jahrmillionen gespeicherten


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chemischen Energie den Energiehaushalt der Erde beeinflusst undmittelfristig zu Klimaveränderungen führt.

46 Friedrich Hund fordert die Anwendung „fortgeschrittener Technik“,um den Übergang zu erneuerbaren und zu praktisch unerschöpflichenEnergiequellen ohne einen die wirtschaftliche und politische Stabili-tät der Welt gefährdenden Zeitdruck zu vollziehen. Einige schonheute erkennbare sinnvolle Entwicklungsziele sind:

Energieanwendung:• Effektive und energiebewusste Nutzung in allen Bereichen, insbe-

sondere bei der Wärmeversorgung von Bauten und im Verkehr,• Anwendung der Supraleitung in der elektrischen Energietechnik.

Energieerzeugung:• Steigerung des Wirkungsgrades bei Wärmekraftwerken,• Abtrennung und Speicherung von CO2,• verstärkter Einsatz erneuerbarer Energien,• Energiespeicher für Wind- und Photovoltaikanlagen,• Brennstoffzellen für Autos und im Wohnbereich,• Aufbau einer dezentralen Strom-Wärme-Erzeugung,• Wasserstoff als Energieträger (nicht als Energiequelle!),• neue Bauarten von Kernspaltungs-Kraftwerken und• Entwicklung von Kraftwerken zur Nutzung der Kernfusion.

47 Die Lösung dieser Aufgabe erfordert große Anstrengungen, auch istüber bereits bekannte Optionen hinaus zu erwarten, dass Forschungund Entwicklung kommenden Generationen Wege erschließen wer-den, von denen wir heute noch nichts wissen. Eine Dramatisierungder Situation ist dabei keineswegs hilfreich, sondern birgt die Gefahrwirtschaftlicher und politischer Instabilität als Folge falscher energie-politischer Entscheidungen. Das ist kein Programm für Jahrzehnte,sondern für Jahrhunderte.

48 Alle Optionen müssen geprüft und genutzt, keine darf von vornhereinausgeschlossen werden, insbesondere auch nicht die Kernenergie,wenn man das ehrgeizige Ziel einer wesentlichen Verminderung derCO2-Emissionen erreichen will. Schließlich besitzt die Kernspal-tungsenergie von allen nichtfossilen Optionen, die den Industrielän-dern heute technisch zur Verfügung stehen, das größte Potenzial [5].



49Es ist auch zu beachten, dass die Industrieländer ihre eigene Situationnicht auf die ganze Welt übertragen dürfen. Die langfristige Lösungdes Energieproblems betrifft die ganze Menschheit und muss daherauch global angegangen werden. Die Entwicklungsländer werdennicht nur taub sein gegenüber Appellen zum Energiesparen, sonderndurch ihren noch immer anhaltenden Bevölkerungszuwachs denDruck auf eine Umsteuerung zunächst noch weiter erhöhen. Das Zielmuss eine Entwicklung im Stil der Evolution sein, denn eine wie auchimmer betriebene Revolution würde Bewährtes zerstören und welt-weite Verteilungskämpfe auslösen, deren Vorboten schon heute dieinternationale Politik mit bestimmen [14].

50Es gibt durchaus gute Chancen, dass die Menschheit eine für alle Völ-ker ausreichende und umweltverträgliche Energieversorgung auf-bauen kann, wenn die fossilen Energievorräte eines fernen Tages zurNeige gehen. Die kritischen Fragen auf diesem Weg liegen wahr-scheinlich weniger auf technisch-wissenschaftlichem Gebiet, voraus-gesetzt es finden sich genug junge Menschen, die die Bedeutung unddie Faszination dieser Aufgabe erkennen und sich dafür einsetzen.Die grundsätzlichen Probleme liegen vielmehr im Bereich von Politikund Gesellschaft.

7 Literatur[1] Kind, D.: Lebensgrundlage Energie. Abh. Braunschweig. Wiss.

Gesellsch. Band LII (2003), S. 93–104

[2] Gerlach, W.: Mayer und Clausius. Die berühmten Erfinder, Phy-siker und Ingenieure. Aulis Verlag Deubner & Co KG. Köln,(1962), S. 124–127

[3] Lamprecht, I.; Zotin, A.I.: Bioenergetik und menschliche Zivili-sation. Sitzungsber. Ges. Naturforsch. Freunde Bd. 36, (1997),S. 17–30

[4] Zotin, A.I.; Lamprecht, I.: Bioenergetic Progress and Heat Barri-ers, J. Non–Equil. Thermodyn. 26 (2001), Nr. 2, S. 191–202

[5] Heinloth, K.: Die Energiefrage: Bedarf und Potenziale, Nut-zung, Risiken und Kosten. 2. Aufl., Vieweg 2003


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[6] Hertz, H.G.; Mulligan, J.F.: Der Energiehaushalt der Erde. Fri-dericiana, Zeitschrift der Universität Karlsruhe, H. 54, (1998),S. 3–14

[7] Mulligan J. F.; Hertz, H.G.: Unpublished Lecture by HeinrichHertz: „On the energy balance of earth“. Am. J. Phys. 65 (1),(1997), S. 36–45

[8] Pelte, D.: Die Zukunft der Energieversorgung. Vorlesung an derUniversität Heidelberg 2002

[9] Hund, F.: Die physikalischen Rahmenbedingungen unseres Da-seins. Georgia Auguste, Göttingen 1976

[10] Voß, A.: Energiesysteme und das Leitbild der Nachhaltigen Ent-wicklung. In: Energie und Umwelt. Springer-Verlag Heidel-berg, 2000, S. 225–242

[11] Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie: Nachhal-tige Energiepolitik für eine zukunftsfähige Energieversorgung.Berlin 2001

[12] Kind, R.; Hansen, U.; Schilling, F.R.: Die Physik des Erdmantels.Phys. Journal 1 (2002), Hr. 10, S. 33–39

[13] ETG im VDE: Elektrische Energieversorgung 2020. Perspek-tiven und Handlungsbedarf. Frankfurt 2005

[14] Jischa, M.F.: Herausforderung Zukunft. Technischer Fortschrittund ökologische Perspektiven. Spektrum Akademie Verlag1993

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Energie und Umwelt - Grundlagen unseres Lebens · Energie und Umwelt Energie und Energieresssourcen 2 gen, stellt man fest, dass Energie jedoch ein sehr junger Begriff ist, der erst