Was wir physikalisch mit Energie bezeichnen, versetzte Menschen in früheren Zeiten in Erstaunen: Sonne, Erdwärme, Stürme oder brennbare Flüssigkeiten wie Erdöl bildeten die Grundlage für Religionen und Mythen. Heute ist die Beschäftigung mit Energie weitaus weniger geheimnisvoll. Im Vordergrund steht vielmehr das handfeste Problem, angesichts des weltweit steigenden Energiebedarfs sichere Energiequellen zu finden und diese auch effektiv zu nutzen. Was genau aber ist eigentlich Energie und in welchen Formen kommt sie vor? Damit beschäftigt sich diese Lerneinheit.

Energie kann über das erklärt werden, was es kann, nämlich Arbeit verrichten. Energie kann weder erzeugt, noch vernichtet werden, sondern nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden, man spricht daher von einer Erhaltungsgröße. Die verschiedenen Formen der Energie lassen sich zu vier großen Gruppen zusammenschließen:

• Mechanische Energie (kinetische, potentielle Energie oder Spannungsenergie)
• Thermische oder innere Energie
• Elektrische Energie
• Bindungsenergie

Als Energie-Einheiten werden Newtonmeter [Nm], Watt-Sekunde [Ws] oder Joule [J] verwendet.
Beim Betrieb technischer Systeme wird Energie umgesetzt. Bezieht man die aufgewendete oder abgegebene Energie auf die dafür aufgewendete Zeit spricht man von der Leistung eines Systems. Die Einheit für die Leistung ist das Watt [W].

Will man Aussagen über die Energiebilanz eines technischen Systems treffen, ist das Verhältnis aus Nutzenergie zu zugeführter Energie von Bedeutung. Der dimensionslose Wert, der sich daraus ergibt, heißt Wirkungsgrad und ist immer kleiner als Eins.

Die Energieträger, die in der Natur vorkommen (Primärenergieträger) können in den meisten Fällen nicht direkt genutzt werden. Im Anschluss an ihre Förderung oder Weiterverarbeitung werden sie Sekundärenergieträger genannt. Sie lassen sich besser transportieren oder lagern. Bei den verschiedenen Verbrauchern (Haushalte, Industrie, Gewerbe oder Landwirtschaft) werden sie in die eigentliche Nutzenergie umgewandelt. Die mit Abstand am meisten verbrauchten Primärenergieträger in Deutschland sind die fossilen Energieträger Erdöl und Erdgas.

Fossile Energieträger sind das Resultat aus Biomasse und Kleinstlebewesen, die in Urzeiten durch Sedimentation und Luftabschluss entstanden. Sie sind nur in begrenztem Maße vorhanden und ihre Nutzung führt u.a. zur Produktion des klimaschädlichen Kohlendioxids (CO₂).

In Atomkraftwerken wird die Energie genutzt, die durch die Spaltung von Atomkernen vorzugsweise des Uranisotops U 235 freigesetzt wird. Die Kernspaltung eines Uranatoms lässt sich durch Neutronenbeschuss beeinflussen. Die bei der Spaltung freiwerdenden Neutronen können ihrerseits andere Kerne spalten (Kettenreaktion).

Regenerative Energien sind solche, die nach menschlichen Maßstäben nicht aufgebraucht werden können, weil sie entweder, wie die Solarenergie durch die Kernfusion in der Sonne (Sonnenstrahlen), durch den radioaktiven Zerfall von Isotopen in der Erdkruste (Erdwärme), die Erdrotation und den damit verbundenen Effekten (Gezeiten, Wind- und Wasserkraft) oder durch nachwachsende Rohstoffe (Biomasse) gewonnen werden können.

Bei der Geothermie wird Energie durch heißes Wasser gewonnen, das entweder direkt gefördert wird oder in warme Erdschichten gepumpt wird. In Deutschland kann die Geothermie nur an wenigen Stellen effektiv genutzt werden, zum Beispiel im Voralpenland. Eine andere Möglichkeit der Nutzung der Erdwärme ist der Einsatz von Wärmepumpen. Mit ihnen lässt sich unter Zuführung von elektrischer Energie das Temperaturniveau eines Trägermediums erhöhen, das vorher durch den Wärmeaustausch mit Erdreich oder Grundwasser gewonnen wurde.

Die Kraft der Sonne kann grundsätzlich aktiv oder passiv genutzt werden. Von passiver Nutzung solarer Strahlungsenergie spricht man dann, wenn die Wärme der Sonne ohne weitere technische Apparaturen unmittelbar genutzt wird. Das ist beispielsweise bei Gewächshäusern oder Wintergärten der Fall. Hier wird die eintreffende kurzwellige Strahlung in langwellige Wärmestrahlung umgewandelt. Von aktiver Nutzung spricht man, wenn technische Geräte und Apparaturen so gestaltet werden, dass sie solare Strahlungsenergie absorbieren oder reflektieren und einem technischen System zuführen können. Das ist bei Sonnenkollektoren und Solarzellen (Photovoltaik), bei Solarkraftwerken und indirekt auch bei Wärmepumpen der Fall.

Bei der Photovoltaik wird über Solarzellen direkt Strom erzeugt. Die Solarzellen, die meist aus Silizium bestehen, fungieren als photoelektrische Wandler. Die solare Strahlungsenergie löst Elektronen von den Siliziumatomen. Es bilden sich positiv und negativ geladene Zonen. Dadurch entsteht eine Spannung. Der daraus resultierende Gleichstrom kann nach Zwischenschaltung eines Wechselrichters in Form von Wechselstrom dem Stromnetz zugeführt werden.

Anders als bei der Photovoltaik wird bei solarthermischen Anlagen die Sonnenstrahlung in thermische Energie umgewandelt. Wie in einem Gewächshaus führt die in einen Sonnenkollektor einfallende kurzwellige Strahlung zur Erwärmung eines Mediums, das die Wärme anschließend beispielsweise an einen Heizungskreislauf abgeben kann.

Solarkraftwerke sind vor allem in sonnenreichen Gebieten sinnvoll. Bessere Bedingungen herrschen in Deutschland für die Nutzung der Windenergie vor. Sie kann bereits ab einer mittleren Windgeschwindigkeit von 4 m/s wirtschaftlich genutzt werden. Die Ursache für die Windenergie ist ebenfalls die Sonne, die Luftmassen unterschiedlich stark erwärmt und damit Druckunterschiede verursacht.

Die Ressourcen für die Nutzung der Wasserkraft sind in Deutschland weitestgehend ausgeschöpft. Man unterscheidet im Wesentlichen drei Kraftwerkstypen. Laufwasserkraftwerke (an Flüssen), Speicherkraftwerke mit Sperrmauern und Staubecken und Gezeitenkraftwerke, die den Tidenhub nutzen. Eine weitere Möglichkeit ist es, den durch Wellen verursachten Unter- und Überdruck in einer Röhre für den Antrieb von Generatoren zu nutzen.

Der Biomasse wird nach Wind und Wasser mit das größte Potenzial für die Energieversorgung der Zukunft zugebilligt. Zur Biomasse zählt man alle nachwachsenden Rohstoffe, in denen die durch Photosynthese umgewandelte Energie der Sonne in Form von organischem Material gespeichert ist. Die energetische Nutzung der Hauptbestandteile von Biomasse, Kohlenstoff und Wasserstoff erfolgt entweder unmittelbar durch Verbrennung zu Heizzwecken oder zur Stromgewinnung sowie mittelbar nach der Weiterbearbeitung über verschiedene verfahrenstechnische Prozesse zu Brenn- bzw. Kraftstoffen (Biodiesel, Bioethanol, Biogas). Energetisch effizienter ist momentan die unmittelbare Verwertung. Neuere Verfahren versprechen die Energiebilanz bei der Nutzung von Biomasse vor allem dadurch zu verbessern, dass im Gegensatz zu den Brennstoffen wie Pflanzenöl oder Biodiesel die gesamte Ausgangsmasse genutzt wird. Zu nennen ist hier die Herstellung von Ethanol über einen Pilz (Ethanol aus Lignozellulose) sowie ein spezielles Raffinerieverfahren („Biomass to liquids“, BTL), bei dem Diesel gewonnen werden kann.

Ein relativ ausgereiftes Verfahren ist die Biogasgewinnung, bei der Gülle, Festmist, Grün- und Mähgut sowie organische Abfälle und Reststoffe genutzt werden. Das Biogas enthält rund 60 % Methan und ca. 40 % Kohlendioxid. Nach einer Reinigung kann das Gas zum Beispiel für die Heizung, die Warmwasserbereitung oder den Betrieb von Gasmotoren und damit auch für die Stromerzeugung weiterverwendet werden.