Ohne Energie geht nichts!

Aristoteles (384-322 v. Chr.) beschrieb Energie als „Wirkkraft, durch die Mögliches in Seiendes übergeht“. Energie ermöglicht es, einen Ball ins Tor zu schießen, ein Buch zu lesen, einen Film zu schauen oder mit dem Zug in die Schule zu fahren. …und was hat Chemie damit zu tun?

Arbeitsmittel

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Chemische Energie in unserem Körper

Energie ist dafür notwendig, um Arbeit zu verrichten. Dabei muss auch die Form der Energie stimmen. Pflanzen nutzen Lichtenergie, um energiereiche Verbindungen (wie Traubenzucker) herzustellen. Der Mensch ist auf diese Substanzen angewiesen. Aus ihnen wird chemische Energie gewonnen. Darunter versteht man Verbindungen, in denen Energie gespeichert ist, die bei einer Reaktion freigesetzt wird.

Ein Beispiel dafür ist ATP (Adenosintriphosphat). Es ist ein Molekül, das Energie liefert, indem eine Atomgruppe abgespalten wird. Dadurch können wir denken, uns bewegen, den Körper warm halten und wachsen. Der Vorgang, der Energie liefert, um ATP aufzubauen, ist die Zellatmung.

Fossile Energieträger

Woher kommt die Energie, die wir z. B. für den Transport, die Stromerzeugung und das Beheizen von Häusern verwenden? Nach wie vor stammen mehr als 60 % der benötigten Energie aus fossilen Energieträgern (Kohle, Erdöl, Erdgas).

Energieverbrauch nach Energieträgern

Daten-Quelle

Fossile Energieträger haben eine lange Geschichte. Sie entstanden über Millionen von Jahren unter Luftabschluss bei hohem Druck und hohen Temperaturen. Diese Bedingungen führten dazu, dass Braun- und Steinkohle aus Überresten von Pflanzen entstanden sind und der Faulschlamm von abgestorbenen Meereslebewesen in Erdöl und Erdgas umgewandelt wurde.

Entstehung von Kohle

Kohle Entstehung Kohle Entstehung

Entstehung von Erdöl und Erdgas

Erdoel Entstehung Erdoel Entstehung

Braun- und Steinkohle

In Österreich wird Kohle nicht mehr abgebaut. Die importierte Kohle wird zu einem Großteil für die Industrie genutzt, beispielsweise braucht man Koks zur Roheisenerzeugung in Hochöfen. Koks entsteht durch das Erhitzen von Steinkohle (auf über 1 000 °C) unter Luftabschluss. Dabei werden die flüchtigen Bestandteile entfernt. Koks hat eine hohen Kohlenstoff-Anteil und verbrennt mit weniger Rückständen (wie Rauch, Ruß und Schwefel-Verbindungen) als Braun- und Steinkohle.

Braunkohle
Braunkohle
Steinkohle
Steinkohle
Glühender Koks in einer Kokerei in Bottrop (Deutschland)
Glühender Koks in einer Kokerei in Bottrop (Deutschland)

In vielen Ländern, in denen Kohle abgebaut und in größeren Anteilen zur Stromerzeugung genutzt wird, ist der Einsatz dieses Rohstoffs umstritten. Beim Abbau werden große Flächen verbraucht. Heute werden diese oftmals wieder rekultiviert, dennoch kommt es durch den Abbau zu einem massiven Eingriff in die Umwelt. Die Verbrennung von Kohle führt zur Freisetzung von Kohlenstoffdioxid, welches als Treibhausgas maßgeblich das Klimageschehen beeinflusst. Weiters werden trotz Abgasfilter Schadstoffe wie Feinstaub und Schwermetalle in die Umwelt entlassen.

Braunkohletagebau Welzow-Süd
Braunkohle wird heute hauptsächlich im Tagebau gewonnen.
Ansicht eines Kohlekraftwerkes
Kohlekraftwerke setzen v. a. Wasserdampf frei. Es werden aber auch Kohlenstoffdioxid und Schadstoffe entlassen.
Holzkohle

Die von Kohlegrillern bekannte Holzkohle (Grillkohle) ist kein fossiler Rohstoff. Holzkohle entsteht, wenn man trockenes Holz unter Luftabschluss erhitzt.

Holzkohle

Erdöl und Erdgas

Erdöl und Erdgas treten in Lagerstätten oft gemeinsam auf. Erdöl ist ein Gemisch aus flüssigen Kohlenwasserstoffen. Erdgas besteht hauptsächlich aus Methan und weiteren kurzkettigen, gasförmigen Kohlenwasserstoffen. Erdöl und Erdgas werden aufgefunden, indem man durch Vibrationen Druckwellen erzeugt, die von Gesteinsschichten reflektiert werden. In einer Raffinerie wird Rohöl weiter verarbeitet.

Erdöl und Erdgas werden aufgefunden, indem man durch Vibrationen Druckwellen erzeugt, die von Gesteinsschichten reflektiert werden.
Röhol
Eine Luftaufnahmen der OMV Raffinerie in Schwechat
Raffinerie der OMV in Schwechat

Das Rohöl wird in einer Raffinerie durch die fraktionierte Destillation in seine Bestandteile getrennt. So erhält man sogenannte Fraktionen, die aus Verbindungen mit ähnlichem Siedepunkt bestehen. Dadurch gewinnt man für jede Nutzung das entsprechende Substanzgemisch.

Das Rohöl wird in einem Röhrenofen erhitzt und in den ersten Fraktionierturm geleitet. Hier findet die Destillation bei Normaldruck statt.

Popup: Fraktionierte Destillation

Fraktionierte Destillation

Blicke in die Raffinerie und erfahre mehr über die einzelnen Abläufe!

Die Gewinnung von kurzkettigen Kohlenwasserstoffen für Benzin, Diesel und Heizöl durch die fraktionierte Destillation reicht nicht aus, um die Nachfrage zu decken. Daher werden langkettige Moleküle mit Hilfe von Katalysatoren oder durch Hitze (Wasserdampf) in kurze Moleküle zerbrochen (Cracken).

Bei Cracken werden langkettige Moleküle in kürzere Verbindungen zerbrochen.

Problematik

Aufgrund der Belastung der Umwelt bei der Gewinnung von fossilen Rohstoffen und dem Ausstoß von Schadstoffen und Kohlenstoffdioxid bei der Verbrennung sucht man nach alternativen Energieformen.

Eine Möglichkeit im Bereich der Mobilität sind mit Strom betriebene E-Autos. Strom zählt zur Sekundärenergie. Das bedeutet, dass Strom aus anderen Energieformen (Primärenergie) erzeugt wird. Für die Bewertung der Umwelt- und Klimaverträglichkeit ist daher auch relevant, wie der getankte Strom hergestellt wurde.

Unfälle bei Bohrungen oder dem Transport von Erdöl können katastrophale Auswirkungen auf die Umwelt haben.
Unfälle bei Bohrungen oder dem Transport von Erdöl können katastrophale Auswirkungen auf die Umwelt haben.
E-Autos
E-Autos stoßen während des Betriebs keine Schadstoffe aus.
Info für Lehrer*innen

Brennstoffzelle

In einer Brennstoffzelle wird chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie umgewandelt. Dadurch können z. B. Fahrzeuge, Heizungen, Flugzeuge, Schiffe und Space Shuttles betrieben werden.

Wasserstoff-Tankstelle
In Österreich gibt es derzeit fünf Wasserstoff-Tankstellen.
Triebfahrzeuge mit Wasserstoff
Auch Triebfahrzeuge können mit Wasserstoff betrieben werden.

In einer Brennstoffzelle wird das Prinzip, das schon von der Knallgasreaktion bekannt ist, angewendet.

2 H2 + O2 2 H2O

Dabei liegt eine Redox-Reaktion vor. Der Elektronenstrom wird über einen elektrischen Verbraucher (Elektromotor) geleitet, welcher dadurch betrieben wird.

Wird die Brennstoffzelle mit Wasserstoff und Luftsauerstoff betrieben, wird nur Wasserdampf ausgestoßen. Wie nachhaltig und zukunftsträchtig der Treibstoff ist, hängt davon ab, wie Wasserstoff hergestellt wird. Derzeit wird Wasserstoff hauptsächlich aus Methan im Erdgas gewonnen. Ein vermehrter Einsatz der Brennstoffzelle wäre denkbar, wenn man in Zukunft durch erneuerbare Energien ausreichend Strom gewinnen könnte, der für die Elektrolyse von Wasser eingesetzt werden würde.

Info für Lehrer*innen

Erneuerbare Energien

Stehen Energiequellen praktisch unendlich zur Verfügung (wie Lichtenergie) oder regenerieren sie sich in einem kurzen Zeitraum (z. B. Holz), so spricht man von erneuerbaren (regenerativen) Energien. In Österreich werden Holz (als Scheitholz, Pellets, Hackschnitzel …) und Wasserkraft schon lange genutzt. Die Nutzung von Photovoltaikanlagen, Wärmepumpen und Windrädern nimmt zu.

Daten-Quelle
In Österreich erzeugte erneuerbare Primärenergie im Jahr 2021 nach Sektoren.
Solarzellen
Solarzellen in Photovoltaik­anlagen wandeln Strahlungsenergie wie Sonnenenergie in elektrische Energie um. Das derzeit wichtigste Halbleitermaterial dafür ist Silicium.

Kraftstoffe zählen zu den Sekundärenergien. Biokraftstoffe wie Biodiesel, Bioethanol und Pflanzenöl werden Treibstoffen für Fahrzeuge beigemischt. In Deutschland und Österreich werden Biodiesel und Pflanzenöl meist aus Rapsöl hergestellt. Die Ausgangsstoffe für Bioethanol sind häufig Zuckerrüben und Getreide wie Weizen und Roggen. Weltweit werden zur Herstellung von Biokraftstoffen auch Zuckerrohr und Palmöl genutzt. Aufgrund des hohen Flächenverbrauchs und der damit einhergehenden Zerstörung des Regenwaldes ist die Nutzung von Palmöl stark umstritten.

Rapsfeld
Biodiesel wird aus Rapsöl hergestellt.
Zuckerrüben
Bioethanol wird u. a. aus Zuckerrüben erzeugt.

Reagiert dickflüssiges Rapsöl mit Methanol in Anwesenheit eines Katalysators, entsteht dünnflüssiger Biodiesel. Dieser wird herkömmlichem Diesel beigemischt.

Herstellung von Biodiesel

Zu den verschiedenen Energiequellen gibt es viele Informationen und Diskussionspunkte. Verwende dein Wissen, das du auf dieser Seite gesammelt hast, und Aspekte, die gemeinsam in der Klasse diskutiert wurden, um eine Mindmap zum Thema Energiequellen zu erstellen!

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