Wo und wie wird Substitution angewandt?
Substitution beschreibt generell die Ersetzung bzw. den Austausch von Termen, Dingen oder Prozessen. Dies geschieht zum Beispiel in der Prädikatenlogik oder in der Mathematik. Hier können innerhalb einer Formel bestimmte Ausdrücke durch andere ausgetauscht werden, um Gleichungen bzw. die Umstellung und Lösung von diesen zu vereinfachen. Auch in der Musik lassen sich etwa Akkorde in Akkordverbindungen austauschen, um diese so zu variieren. In der Kryptographie spricht man ebenfalls von Substitution, wenn Klar- durch Geheimtextzeichen ersetzt werden, um etwa Informationen zu verschlüsseln.
Auch in Biologie und Chemie werden Substitutionen angewandt, um etwa bestimmte Reaktionen oder Mutationen hervorzurufen. So lassen sich zum Beispiel bestimmte Komponenten in Nukleinsäuresequenzen austauschen, um etwa Punktmutationen nachzuvollziehen und zu verstehen. In der Chemie können innerhalb von Atomgruppen Atome ausgetauscht werden, um zum Beispiel bestimmte Reaktionen auszulösen und Stoffe zu schaffen bzw. zu verändern.
In Wirtschaft, Medizin und Technik dient die Substitution dazu, Güter und Prozesse auszutauschen, die gleichen oder ähnlichen Zwecken dienen und dieselben Bedürfnisse erfüllen. Bei Waren wird hier zwischen perfekten und imperfekten Substitutionsgütern unterschieden. Bestehen keinerlei Unterschiede in Preis, Qualität oder anderen Anreizen, besteht ein perfektes Substitutionsgut. Sind in diesen Bereichen jedoch Varianzen festzustellen, handelt es sich um ein imperfektes Substitutionsgut. Beispiele für Letzteres sind etwa Kunstleder statt Echtleder oder Margarine statt Butter. In Medizin und Pharmazie besteht Substitution, wenn Arzneimittel oder Wirkstoffe ausgetauscht oder bestimmte Substanzen zugeführt werden, die der Körper aufgrund von Krankheiten nicht mehr selbst (ausreichend) bilden kann. Bekannte Beispiele für eine Substitutionstherapie sind etwa die Insulinzufuhr bei Diabetes mellitus oder Bluttransfusionen bei Anämie.
In der produzierenden Industrie vollzieht sich die Substitution überwiegend aufgrund von Optimierungen. Veraltete, ineffiziente oder unsaubere Prozesse werden dabei durch neue ersetzt, die wirtschaftlicher, umweltfreundlicher oder in anderem Maße sinnvoller sind und dennoch genau dasselbe Ziel erfüllen. Hierbei kann es sich etwa um Fertigungsverfahren oder aber um die Erzeugung bzw. Gewinnung von Energie handeln. Gerade im letzten Fall spielt die Substitution von fossilen und nuklearen Brennstoffen eine enorm wichtige Rolle, um sowohl den Schadstoffausstoß zu verringern und den Klimawandel zu begrenzen, als auch um sich von endlichen und teurer werdenden Rohstoffen zu lösen und auf unbegrenzt verfügbare Energieträger zuzugreifen.
Substitution als wichtiger Bestandteil der Energiewende
Das Ersetzen und Austauschen umweltschädlicher Technologien durch regenerative Energien ist das Leitmotiv der Energiewende. Ziel ist es, die Dekarbonisierung des Energiesektors voranzutreiben und langfristig die komplette Wirtschaft umzubauen. Die Energiewende betrifft sowohl die Strom- und Wärmeerzeugung, als auch die Reformierung des Verkehrssektors. So werden etwa Kohle- und Ölkraftwerke nach und nach durch erneuerbare Energien wie Wind, Wasser und Solar substituiert, denn auch diese decken unseren Energiebedarf, bedingen jedoch deutlich geringere Umweltbelastungen. Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor ersetzen Elektroautos, um die Verbrennung von Benzin, Diesel und Erdgas zu vermeiden. Oder aber es erfolgt die Substitution der Kraftstoffe selbst: Statt eines erdöl- und erdgasbasierten Energieträgers lassen sich zum Beispiel in Verbrennungsmotoren auch Biodiesel oder per Wasserelektrolyse und Methanisierung erzeugte Synthesegase nutzen. Auch Wasserstoffbrennstoffzellen bieten sich als alternativer Antrieb an. Bei der Wärmeerzeugung wird statt Heizkesseln, die Brennstoffe verfeuern, auf Solarthermie oder Wärmepumpen zurückgegriffen, denn diese Systeme können ebenfalls CO2-neutral arbeiten.
Damit die Substitution von klimaschädlichen Technologien schnell, effizient sowie wirtschaftlich vonstattengehen kann, ist es notwendig, die Prozesse, die sich regenerativer Energien bedienen, stetig weiterzuentwickeln. Dies schließt nicht nur die Optimierung der technischen Anlagen wie Solarzellen, Wärmepumpen und Ähnliches mit ein. Auch die Erschließung neuer, innovativer Energiequellen bzw. die Wahrnehmung von diesen sind wichtiger Bestandteil der Energiewende. Hierzu zählt etwa die Verwertung von Abfällen und Klärschlamm, mit denen sich etwa Biogas erzeugen lässt. Ein weiteres Zukunftskonzept sind zum Beispiel Regen- und Kondensationskraftwerke, deren Energieausbeute zwar extrem gering ist, die jedoch etwa Sensortechnik in Kraftwerken quasi kostenlos antreiben könnten.
In den letzten Jahren richtete sich der Blick bei der Wärmeerzeugung vor allem auf das Abwasser. In Haushalten und Industrie anfallende Abwässer führen in der Regel noch eine große Menge thermischer Energie mit sich, die ungenutzt und unnötigerweise abgeführt wird und somit verloren geht. Mithilfe von Wärmetauschern und -pumpen – installiert an strategisch günstigen Leitungen und Sammlern – ist es jedoch möglich, einen Teil dieser Energie zurückzugewinnen, ohne den Betrieb von Kanalisation und Klärwerken zu beeinflussen. Die Abwasserwärmerückgewinnung bietet den Vorteil, dass die Wärmequelle ganzjährig verhältnismäßig warm und zudem leicht erschließbar ist. Wird die Technologie an allen wirtschaftlich sinnvollen Standorten ausgebaut, ließen sich mit Abwasserwärme etwa 14 Prozent des gesamtdeutschen Wärmebedarfs decken, was enorme Mengen an fossilen Brennstoffen einspart. Die Gestehungskosten von Energie aus Abwasser sind dabei unschlagbar. Somit hält das Heizen mit Abwasser die Energiekosten beim Wohnen in einem sehr moderaten Bereich – ein wichtiges Argument angesichts steigender Kosten. Kommt zum Betreiben der Wärmepumpe darüber hinaus ausschließlich Ökostrom (z. B. aus einer Photovoltaikanlage) zum Einsatz, dann ist der Prozess sogar vollständig klimaneutral.
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