Zweck dieses Beitrages ist es daran zu erinnern, dass ursächlich allein die Sonnenstrahlung Quelle verfügbarer Energie ist, von atomaren Umwandlungen irdischer Elemente abgesehen.
Wer sich mit Energie befasst, bedarf einiger Begriffe und Maßeinheiten. Sie seien kurz erläutert und erinnern an Forscher über Wärme im 19. Jahrhundert. Bei der Nutzbarmachung der Energie mit technischen Hilfsmitteln sind auch Energie und in weitem Sinn Kosten zur Materialgewinnung, Konstruktion, Betrieb und Destruktion zu berücksichtigen.
Über die Strahlung
Man stelle sich die Sonnenstrahlung als einzelne Strahlen bestimmter Energie vor. Je dichter diese gebündelt sind, umso mehr Energie trifft auf eine gedachte Zählfläche. Man spricht bildlich von „Dichte“ der Strahlung, gemessen in Watt je Quadratmeter. Watt (James Watt, 1736-1819, schottischer Ingenieur) ist die Einheit der je Sekunde vollbrachten Arbeit (= Energie). Deren Einheit ist Joule (James Prescott Joule, 1818-1889, englischer Physiker), ehemals Einheit Kalorie. Die Bewegungsenergie, mit der Regen auf den Boden trifft, wäre in Joule anzugeben.
Alle Stoffe strahlen elektromagnetisch, abhängig unter anderem von ihrer Temperatur. Je höher die Temperatur, umso kurzwelliger die Strahlung. Die Sonne strahlt entsprechend ca. 6000 Grad, die Erde im Durchschnitt 288 Kelvin
(= 15 Grad Celsius). Die Skala von Anders Celsius (1701-1744, schwedischer Naturforscher) aus dem Jahr 1742 bezieht sich auf Gefrieren und Sieden von Wasser. Die Kelvin-Skala zählt vom absoluten Nullpunkt der Temperatur (Wärme), der theoretisch begründet ist (William Thomson Kelvin, 1824-1907, englischer Physiker).
Bezogen auf je eine Wellenlänge enthält die Sonnenstrahlung weit mehr Energie (= Fähigkeit zu physikalischer Arbeit) als die irdische Strahlung. Ein Teil der Sonnenstrahlung wird als Licht wahrgenommen. Objekte werden sichtbar durch zurückgeworfenes (= gestreutes) Licht.
Strahlung und Wärme
„Globalstrahlung“ heißt die Summe direkter und gestreuter Sonnenstrahlung, die auf eine horizontale Fläche (Boden) trifft. Im irdischen System arbeitet nur der Anteil an Sonnenenergie, der nicht von Wolken und Erdboden zurückgeworfen (von Neuschnee 90, Wiese 20 Prozent), sondern absorbiert worden ist.
Nur der Tagesseite der Erdkugel wird Sonnenstrahlung angeboten. Die Eigenstrahlung der Erde aber wird von ihrer gesamten Fläche ständig abgegeben.
Weil Wolken und teilweise Gase (Wasserdampf, Kohlendioxid, Ozon, Methan) langwellige Strahlung vom Erdboden her wie eine „Decke“ absorbieren und diese nach unten dem Boden zurückstrahlen, wirkt die (niedere) Atmosphäre wie eine Glasscheibe im Treibhaus: Die Sonnenstrahlung dringt herein, die „Wärmestrahlung“ nur beschränkt heraus. Nehmen Wolken oder Konzentration von „Treibhausgasen“ zu, wird es in Bodennähe wärmer, in der oberen Atmosphäre kälter. Das hat Joseph Fourier (1768-1830, französischer Mathematiker) schon 1824 erkannt. Die Wirkung hat dann Svante August Arrhenius (1859-1927, schwedischer Physiker) 1896 berechnet, heute politisch brisant geworden.
Solare Einstrahlung
Globalstrahlung wird in Obersöchering vom Wasserwirtschaftsamt Weilheim registriert. Damit zusammen hängen die Temperaturen des Erdbodens, des Grundwassers, die Verdunstung und auch die irdische Ausstrahlung. Die Globalstrahlung am Boden ist stets geringer als außerhalb der Atmosphäre. Die durchschnittliche Sonnenstrahlung, die außerhalb der Atmosphäre ungeschwächt senkrecht auf eine gedachte Fläche trifft (Solarkonstante) beträgt knapp 1400 W/m2 und ändert sich mit Abstand zur Sonne und deren Aktivität.
In Obersöchering treten im Zeitraum Juni-Juli mittags bei klarem Himmel nahezu 1000 W/m2 auf. Durchschnittlich werden in den Zeiträumen Juni-Juli 300 bis 350, Dezember-Januar 30 bis 40 W/m2. Der Jahresdurchschnitt liegt bei 140 W/m2. Im Juni-Juli können Tageswerte von 5 kWh/(m2 Tag) überschritten werden. Um 1 Liter = 1 kg Wasser um 1 K (Grad) zu erwärmen, bedarf es 4180 Ws (Wattsekunden) = Joule. Zur Erläuterung: Der elektrische Effekt Watt wird geleistet, wenn bei der Spannung in Volt ein Strom in Ampère fließt. (Allesandro Volta, 1745-1827, italienisch; Andre Ampère, 1776-1836, französisch).
Von nutzbarer Energie
Energie kann weder vermehrt noch verringert, nur in verschiedene Formen umgewandelt werden. Strahlung wird immateriell übertragen. In anderen Formen (thermisch, mechanisch, elektrisch etc.) wird Energie materiell übertragen. Bei allen anorganischen und organischen Prozessen wird Arbeit geleistet.
Ausgangspunkt ist stets konzentrierte Energie (Wärme hoher Temperatur), die ausgedünnt wird (Wärmesenke). „Brennstoffe“ (Kohle, Holz, Benzin) erzielen hohe Temperaturen, indem die in ihnen gelagerte Sonnenenergie chemisch (Oxidation, Verbrennung) kurzzeitig ausgelöst wird.
Immer ist nur ein Teil der zugeführten Energie zu physikalischer Arbeit fähig. Die Atmosphäre ist eine Wärmekraftmaschine, welche Bewegungsenergie (Wind) liefert. Ihr Wirkungsgrad (Ausbeute an Leistung per aufgewendeter Leistung) ist weit geringer als 1 Prozent.
Die energiewirtschaftliche Ausbeute einer mit Kohle befeuerten Dampfmaschine erreicht ca. 15 Prozent, die eines Benzinmotors etwa 30 und eines Dieselmotors 40 Prozent. Verluste (Reibungsarbeit) werden als „Abwärme“ an eine Wärmesenke abgegeben.
Bei allen Umwandlungen, auch in der Nahrungskette, treten Verluste auf. Die Photosynthese (Aufbau von Zucker), Lebensprozesse der Flora und Fauna der Nahrungspyramide „kosten“ Energie. Verzicht auf Fleischnahrung wäre energetisch sinnvoll. Doch erschließt das Tier dem Menschen Energie (Gras), die für ihn unmittelbar nicht nutzbar wäre.
Umgebungswärme
In der Natur gelagerte oder mit Wasser oder Wind zugeführte Wärme ist nutzbar mittels Wärmepumpe. Sie „hebt“ Wärme aus einem kälteren (Winterluft, Boden, Grundwasser) in einen wärmeren (zu heizenden) Raum. Die dazu notwendige Arbeit (Elektrizität zum „pumpen“) ist geringer als der gelieferten Wärme (Heizung) entspricht. Eine Heizung dieser Art (von Kelvin 1852 vorgeschlagen) baut eine Temperaturdifferenz auf.
Wärme kann mit Luft oder Wasser zugeleitet werden. Allerdings ist die Wärmekapazität (J/(m3 K)) der Luft mit 1/3500 weit geringer als die des Wassers. In Uffing bieten sich Grundwasser, auch warme Abwässer (Haushalte) an.
Windenergie
Der örtliche Wind ist Bewegungsenergie, ausgelöst von Unterschieden im Druck, seinerseits abhängig von Wärme und damit von Strahlung, thermischen Eigenschaften (Wasser, Land, Eis), deren räumlicher Verteilung global und lokal, sowie der Reibung zwischen Atmosphäre und Rotation der Erde. Ergebnis ist das Wetter in seinem zeitlichen Verlauf.
Verglichen mit Küsten- und Berglagen der „Westwindzone“ verfügt Uffing nur über wenig zu erntende Windenergie. Wegen der Bodenreibung kämen wohl nur Galveigen und die Höhen westlich vom Sonnenstein und Kirnberg als Standorte für Windturbinen in Betracht. Sie veränderten jedoch das von den Molasserücken geprägte voralpine Landschaftsbild.
Wasserkraft
Durch Gefälle der Uffinger Ach und dem den Abfluss ausgleichenden Staffelsee verfügt Uffing über nutzbare Wasserkraft. In Sommergewittern lässt sich der Kreislauf des Wassers lokal verfolgen: Gewitterwolken (über Ammergauer Bergen) machen das durch Sonnenenergie am Boden verdampfte und gegen die Schwerkraft gehobene Wasser sichtbar. Gleichzeitig hat die Verdampfungswärme den Boden gekühlt und die Wolkenregion erwärmt. Die im Dampf verborgene Wärme wäre in Joule/Kilogramm anzugeben.
Niederschlag und Abfluss erlauben mechanische oder elektrische Energie zu ernten. Bei einem Wirkungsgrad von 100 Prozent könnten 1000 m3 Wasser über 1 m Gefälle 2,7 kWh liefern. Über 3,7 m Fall würden 10 m3 Wasser 0,1 kWh ergeben.
Weitere Zugänge zur Sonnenenergie
Das solare Strahlungsklima in Uffing sollte ausreichen, um Haushaltswasser durch Absorption lohnend zu erwärmen. Die große Wärmekapazität von Wasser im Vergleich zu Luft (Verhältnis 4,18/0,0012) ergibt eine zeitliche Verzögerung der Wassertemperatur gegenüber der Einstrahlung.
Solare Strahlung baut in geeigneten Stoffen elektrische Spannung auf (Photovoltaik). Optimal wäre die Orientierung der Strahlungsempfänger der Bahn der Sonne anzupassen. Strahlungsangebot und Bedarf an Energie verhalten sich jahreszeitlich fast entgegengesetzt.
Holz und Biogas sind zwar „erneuerbare“ Energie. Beim Verbrennen wird gelagertes Kohlendioxid frei.
Reinhard Mook
(veröffentlicht in Hoagart 08 | Juli 2023, siehe unten, Seite 56)
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Juli 2023
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