TEIL A

DER WÄRMEKREISLAUF - DAS 2. KERNSYSTEM

Die Biosphäre ist eine riesige Wärmekraftmaschine, die einen großen Teil ihrer Energie von der Sonne bezieht. Die auf den Erdball eingestrahlte Sonnenenergie ist im doppelten Sinne eine Quelle des Lebens. Einmal wird sie von den mit Chlorophyll ausgestatteten Pflanzen verwertet (wobei die derzeitige Pflanzendecke der Erde nur rund ein Tausendstel der vorhandenen Sonnenenergie ausnutzt), zum anderen dient sie als Energiequelle der Wasserverdunstung, wie wir bereits gesehen haben. Außerdem wird durch die resultierenden Wärmeunterschiede auch das Wettergeschehen initiiert.

Heute gibt es viele verschiedene Methoden Wärme zu erzeugen, und schon der primitive Mensch schuf Wärme durch Reibung. Er brauchte diese Wärme zum Entzünden von Holz. Für die Erzeugung von Wärme durch Reibung gibt es viele wohlbekannte Beispiele, einer Aufzählung bedarf es hier nicht.

Bei fast allen Energiewandlungen steht die Wärmeenergie am Ende und wird deshalb oft als ‚unedelste Energie’ (oder Anergie, s.u. ) bezeichnet, wobei oft vergessen wird, daß die Speicherung gerade dieser Niedertemperatur-Energie im Wasser und in der Luft das Leben überhaupt erst ermöglicht und erhält.

Die Verbindung Physis/Energie in Form von Materie, sowie die Energie-Dissoziation als Strahlung sind die beiden Phänomene, welche die Physiker wohl am meisten beschäftigt haben. Sie fanden bald heraus, daß Energie, die einem System verloren ging, von einem anderen örtlich begrenzten System gewonnen wurde. Im Universum geht Energie augenscheinlich niemals verloren.

Wir sehen hier das interessanteste interne Regulationssystem im Recyclingprozeß der Natur, ein System das zur Prägung des Erhaltungssatzes der Energie führte, der wiederum zu einem der wichtigsten wissenschaftlich-technologischen Grundsätze geworden ist. Mit der technischen Umsetzung dieser Energietransformation ist es jedoch nicht weit her. Nutzbar waren und sind nur sehr hohe bis extrem hohe Temperaturen – während die Wärme (mit der immerhin alle Kreisläufe der Natur angetrieben werden) als schwach und minderwertig betrachtet wird. Ich behaupte: Nur weil man lange Zeit zu dumm war, sie zu verstehen.  Erst mittels Wärmepumpen (s.d.) ist es ansatzweise gelungen, diese ‚unedle’ Wärme nutzbar zu machen. Tatsächliche Anwendung findet dieses Prinzip bislang aber nur in beschränktem Umfang.

Überhaupt baut die Technologie der modernen Energieerzeugung im Großen und Ganzen auf einem ziemlich primitiven Modell auf: Zuerst wird alle Primärenergie in Wärme umgewandelt, diese erzeugt dann über die Expansion von Dampf einen Druck, welcher anschließend mittels Dampfturbinen weiter in elektrische Energie umgewandelt wird.

Bei diesen kaskadenförmigen Prozeßschritten geht jedoch der größte Teil der ursprünglichen Ener­gie verloren, d.h. sie wird als Abwärme an die umgebende Luft oder an das Wasser (z.B. Naßkühltürme) abgegeben. Dieser Vorgang führt zu großen wirtschaftlichen Verlusten und belastet die Umwelt mit einer zusätzlichen und sehr hohen Menge an Wärmeenergie. Es sollte uns nicht verwundern, daß die Natur diese überschüssige Wärme ohne Schwierigkeiten kompensiert – durch Wirbel wie Hurrikans und Tornados.

Dazu kommt, daß diese Hitzeerzeugung stark umweltbelastend geschieht, und unter zum Teil sehr gefährlichen Bedingungen. Schon vor dem Verbrauch selbst, also bei der Förderung, der Verarbeitung, dem Transport und der Lagerung fossiler und nuklearer Brennstoffe und deren Abfälle zeigt sich die Brisanz dieser Methode. ⁽³⁵⁾

Energie kann nicht verschwinden. Aber deshalb sollte doch eigentlich immer genug davon zur Verfügung stehen, oder nicht? Doch wie es scheint, haben wir das recyceln, den Rückgewinn der Energie, irgendwie noch nicht so ganz im Griff.

Rückgewinn der Energie? Bei einer Gegenüberstellung der Begriffe Exergie (= nutzbarer Teil der Energie) und der Anergie (= bisher nicht nutzbarer Teil) wird klar, warum Buckminster Fuller und andere von Synergie sprechen, und damit einen linguistischen Wegweiser aufstellen, der in Richtung einer anderen, neuen Betrachtung des physikalischen Geschehens weist.

Ich werde später noch mehrfach aufzeigen, daß die synergetische „Hochtransformation mikroskopischer Energien in die makroskopische Energie“ (H. Haken) eines der Grundprinzipien biologischer Vorgänge ist ⁽³⁶⁾. Und daß es gilt diesen Vorgang nachzuahmen – in Form einer technischen Exergieseparation.

Grundsätzlich gilt [Energie = Exergie + Anergie]. Dadurch ist es möglich, mittels einer geringen Exergie-Startinvestitionen eine gewisse Menge von Anergie auf ein höheres Energie-Niveau zu heben... und bei einem ausreichenden Vorrat an Anergie vielleicht sogar auf das Niveau von Exergie!

Buckminster Fuller schlägt mit seinem Begriff der Synergie jedenfalls einen Bogen zur Syntropie (= Wertsteigerung) von Felix Auerbach (1910), und wer weiß schon genau, was Clausius damals mit dem Terminus Ektropie eigentlich genau gemeint hat? ⁽³⁷⁾

Doch zurück zur Exergie: Eine 100%ige Form der Exergie ist zum Beispiel elektrischer Strom. Weil er sich – zumindest theoretisch – zu 100% in andere Energieformen umwandeln läßt (Licht, Schall, Bewegung, Wärme usw.). Ebenso beinhaltet die gespeicherte Energie in mechanischen Federn oder rotierenden Massen, oder die potentielle Energie von Wasser hinter Staudämmen usw. einen hohen Prozentsatz an Exergie.

Während des ‚Verbrauchs’ dieser Energieform wird jedoch der größte Teil in Anergie umgewandelt, zumeist in Form von Wärme-Abstrahlung. Ein gutes (oder besser schlechtes) Beispiel dafür ist die konventionelle Glühbirne, die eigentlich ein Elektro-Ofen mit starker Leuchtkraft ist – beträgt doch der Anteil des Lichts nur rund 4 % des genutzten elektrischen Stroms, während die restlichen 96 % als Hitzeabstrahlung auftreten. Inzwischen gibt es zwar optimierte Energiesparlampen und LED-Leuchten, doch ihr weltweiter Anteil beträgt erst einige Promille (s. Energiesparen).

Was also kann Synergie in diesem Zusammenhang bedeuten?

Am ehesten wohl eine Methode, verschiedene Energieformen gleichzeitig zu nutzen, um aus der in Überfülle vorhandenen Anergie 'hochprozentige' Exergie zu extrahieren...

Das hört sich schon ziemlich alchimistisch an! Ich werde aber noch häufiger darauf zu sprechen kommen, welche theoretischen Möglichkeiten es gibt, um aus dem ‚Meer der Anergie’ den uns nützenden Teil Exergie herauszuholen. Eine schon bekannte Methode bildet die Anergienutzung mittels Wärmepumpen (welche allerdings keinen besonders hohen Exergiewirkungsgrad besitzen) ⁽³⁸⁾. Bei der Untersuchung alternativer Energietechnologien im Teil C wird auf dieses Umwandlungsverhältnis jedenfalls ganz besonders geachtet.

Die größten Wärmemengen in unserer direkten Umwelt lassen sich leicht finden. Aus dem folgenden vereinfachten Fließschema des Energiehaushalts der Erde geht hervor, daß die größte Energie­menge die uns täglich neu zur Verfügung steht, die Wärme ist, die im Wasser (und auch im Eis) gespeichert wird ⁽³⁹⁾. Um die Relationen im Auge zu behalten: Die gesamte technische Prozeßwärme der Menschheit ist in dem Fließschema nicht enthalten. Denn sie beträgt nur etwa 0,015 % des aufgezeigten Gesamtenergiehaushalts (Stand 1980), womit sich auch so einiges relativieren sollte...

In dem Fließschema wird gezeigt, daß die wichtigsten Quellen im Energiehaushalt der Erde die Sonne, die Gezeiten, die geothermische, die nukleare und die Gravitationsenergie sind. Mehr als 99 % des Energieflusses bildet die Sonnenenergie (174.000 Terawattstunden pro Jahr), deren Aufteilung die besonders breiten Bänder zeigen. Der größte Anteil wird entweder direkt von der Atmosphäre reflektiert (kurze Wellen) oder als langwellige (Wärme-) Strahlung in den Weltraum zurückgeworfen (zusammen etwa 77 % der Einstrahlung). Gezeiten- (3,3 TWh/a) und geothermische Energie (33 TWh/a) kommen auf sehr viel kleinere Beträge als die Sonneneinstrahlung. Die absolut größte Energiemenge (~ 23 % ) wird im Wasser und im Eis gespeichert. Anm. 2013: Aufgrund der Änderung der sogenannten 'gesetzlichen Einheit' wird statt 1 TWh inzwischen 3.600 TJ (TeraJoule) oder 3,6 PJ (PetaJoule) gesagt.

Auch hier zeigt sich wieder eine der vielen direkten Verbindungen (oder der ‚besonderen Beziehungen’) zwischen Wärme und Wasser. Die Wärmeausdehnung von reinem Wasser bei einem Temperaturanstieg von 15°C auf 20°C beträgt nur 2 %. Aber schon bei dem Übertritt von Eis mit 0°C zu Wasser bei 0°C - also dem Schmelzprozeß bei gleichbleibender Temperatur - werden 80 kcal/kg gespeichert. Auch hier werden inzwischen andere Einheiten genutzt, sodaß statt 80 kcal/kg nun 335 kJ/kg oder 93 Wh/kg gesagt wird. Anschaulicher ist vielleicht eine Ergänzung, die mir der Ingenieur Hinrich Ruyter zusandte: "Mit der Energiemenge, die Eis zu Wasser auftaut, würde man dieselbe Menge Wasser um 80°C erhitzen können".

Für diese Effekte ist die hohe spezifische Wärme des Wassers verantwortlich. Wie jede andere Substanz hat auch Wasser seine eigene Wärmekapazität oder spezifische Wärme. Und eben diese ist beim Wasser besonders hoch.

Im globalen Wärmekreislauf sind außerdem die hohe Verdampfungswärme wichtig, wie auch die Wärmeleitfähigkeit, die einerseits an der Oberfläche der Seen und Meere den raschen Temperaturausgleich gestattet, andererseits aber für den Wärmetransport von der Oberfläche zur Tiefe bedeutungslos ist.

In niedrigen Breiten entsteht durch die Wärmeaufnahme der Wasseroberfläche ein recht erhebliches Wärmegefälle von oben nach unten. Dabei nimmt die Temperatur nicht kontinuierlich ab, sondern es entwickeln sich Thermoklinen oder Sprungschichten, die normalerweise in Tiefen zwischen 100 und 500 m liegen. In dieser Zone nimmt die Temperatur sprunghaft ab. Man bezeichnet diese Bereiche manchmal auch als Diskontinuitäten. Über dieser Sprungschicht entwickelt sich eine recht gut durchmischte warme Wassersäule, die als Thermosphäre bezeichnet wird. Unterhalb der Sprungschicht befindet sich die Psychrosphäre mit kaltem Wasser, dessen Temperatur bis zum Meeresboden nur noch geringfügig weiter abnimmt.

In gemäßigten Breiten erwärmt sich das Wasser der oberen Schicht während der Sommermonate, wodurch es zur Entwicklung von jahreszeitlich bedingten Sprungschichten nahe der Oberfläche kommt, die normalerweise in 15 – 40 m Wassertiefe liegen. Wenn das Wasser sich im Winter abkühlt, verschwindet die Sprungschicht wieder und Konvektionsströme können die Wassersäule tiefgreifend durchmischen. In der Ostsee, die keine Gezeiten hat, können diese Sprungschichten äußerst scharf ausgeprägt sein, so daß die Temperatur innerhalb eines Meters um mehrere Grad fallen kann. ⁽⁴⁰⁾

In den folgenden Abbildungen werden die Thermoklinen in niedrigen Breiten denen der gemäßigten Breiten gegenübergestellt:

 

Die Gesamtwärmemenge im Meer wird aber auch durch den organischen Kreislauf der Populationen gesteigert. Während der Respiration, der Energietransformation und CO₂-Bildung, wird ein nicht unbeträchtlicher Teil Wärmeenergie abgegeben. In der nachfolgenden Abbildung wird der organische Kreislauf im Meer dargestellt, wobei auch hier wieder der Input von Sonnenenergie und der Output von Wärmeenergie besonders hervorzuheben sind ⁽⁴¹⁾. Und wir sollten uns auch immer wieder ins Gedächtnis rufen, daß wir es hier nicht mit geschlossenen Systemen zu tun haben – sondern mit offenen, für die ganz andere Kriterien gelten als die des bislang umgesetzten physikalisch-technischen Verständnisses.

Wenn wir also ein System postulieren, mit dem es gelänge, einen annehmbaren Teil der Anergie in nützliche Exergie umzuwandeln ohne dabei ‚Abfallprodukte’ zu erzeugen, dann könnte eine derartige Technik sogar der zunehmenden Erderwärmung entgegenwirken, für welche wir alle noch immer die volle Verantwortlichkeit haben – solange unser Strom durch fossile oder nukleare Techniken ‚erzeugt’ und unsere Mobilität mit der Verbrennung diverser Flüssigkeiten oder Gasen erkauft wird!

Ich will keineswegs unterschlagen, daß es ein alter Traum der Menschheit ist, das Wasser der Weltmeere abzukühlen, um daraus Energie zu gewinnen. Doch inzwischen ist aus dem Traum eine Notwendigkeit geworden. Wir müssen das Wasser abkühlen um der zunehmenden Klimakatastrophe Einhalt zu gebieten. Und natürlich auch die fortgesetzte ‚Verbrennung’ ein für alle mal beenden.

Ein Wärmemangel für die Natur wäre aber auch in diesem Fall nicht zu befürchten, denn ebenso wie alle anderen Lebewesen der Biosphäre geben ja unsere Körper selbst beständig genügend Wärmeenergie ab. Der Schweizer Physiker und Chemiker Werner Kuhn schätzte 1963 die von allen Lebewesen der Biosphäre jährlich erzeugte Energie auf 100.000 bis 200.000 Billionen Kilokalorien (Kk).

Es gibt aber noch viele weitere Einflüsse, auf die ich nun als nächstes zu sprechen kommen will.

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