Energiewandler

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Ordnung stufenweiser Energiewandlungen zur Stromerzeugung
Anteile der Primärenergieträger an der Stromerzeugung in Deutschland

Energiewandler tauschen Energie zwischen einem System und der Umgebung in mindestens zwei Energieformen aus: zum Beispiel wird chemische Energie so zu kinetischer Energie (Motor). Großtechnische Energiewandlungsanlagen wie Kraftwerke bestehen aus mehreren Energiewandlern, die stufenweise Primärenergieformen in technisch nutzbare Energieformen wie elektrische Energie oder thermische Energie (Prozess- und Fernwärme) umwandeln.

Energiewandlung nennt man entsprechend eine Kategorie von Prozessen, bei denen Energie zwischen einem System und der Umgebung in mindestens zwei Energieformen ausgetauscht wird. Besonders für eine Energiewandlung in elektrische Energie ist auch der umgangssprachliche Begriff Energieerzeugung üblich und bezieht sich auf die nach dem Prozess zur Verfügung gestellte Energieform (elektrische Energie), siehe Stromerzeugung.

Grundlagen[Bearbeiten]

Energiewandlungen unterliegen physikalischen Gesetzmäßigkeiten. So ist die Energie in abgeschlossenen Systemen eine Erhaltungsgröße, kann also weder erzeugt noch vernichtet werden. Entscheidend beim technischen Einsatz ist der Wirkungsgrad der Wandlung, da bei realen Systemen nicht 100 % einer Energieform in eine andere überführt werden kann. Es treten dort immer Verluste in andere Kanäle auf, meist in Form von nicht genutzter Wärme, also thermischer Energie.

Beispiele[Bearbeiten]

Beispiele für Umwandlungen von Energieformen
nach →
↓ von
Mechanische Energie Thermische Energie Strahlungsenergie Elektrische Energie Chemische Energie Nukleare Energie
Mechanische Energie Getriebe Bremsen Synchrotronstrahlung Generator Reaktionen im Teilchenbeschleuniger
Thermische Energie Dampfturbine Wärmeübertrager Schwarzer Strahler Thermoelement Hochofen Supernova
Strahlungsenergie Radiometer Solarkollektor Nichtlineare Optik Solarzelle Photosynthese Kernphotoeffekt
Elektrische Energie Elektromotor Elektroherd Blitz Transformator Akkumulator
Chemische Energie Muskel Ölheizung Glühwürmchen Brennstoffzelle Kohlevergasung
Nukleare Energie Atombombe Kernreaktor Gammastrahlen Radionuklidbatterie Radiolyse Brutreaktor

Elektromotor[Bearbeiten]

Beispiel 1: Ein Elektromotor hebt ein Gewichtsstück an, es wird elektrische Energie in mechanische Energie gewandelt. Beide Energieformen tragen nur in einem idealen Denkmodell keine Entropie, so dass Wandlungsverluste, meist Wärme, ein Perpetuum Mobile absolut sicher verhindern. Die mit dieser Wärme verbundene und im Prozess erzeugte Entropie stellt das vom Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik in realen Prozessen geforderte Anwachsen der Gesamtentropie sicher.

Dampfturbine[Bearbeiten]

Beispiel 2: Eine Dampfturbine treibt einen elektrischen Generator an, es wird thermische Energie in elektrische Energie gewandelt. Die der Turbine bei der Temperatur T1 zugeführte Wärme ΔQ1 trägt die Entropie ΔS1 = ΔQ1/T1 mit sich. Die erzeugte elektrische Energie ΔW trägt keine Entropie. Würde die gesamte Wärme in elektrische Energie gewandelt, so würde dabei die Entropie ΔS1 verschwinden, was aber dem Zweiten Hauptsatz widerspräche. Die Turbine muss also eine Abwärme ΔQ2 mit der Temperatur T2 abgeben, welche mindestens die Entropie ΔS1 trägt. Es gilt daher für die Energie: ΔQ1 = ΔW + ΔQ2 und für die Entropie: ΔS2 ≥ ΔS1 ⇔ ΔQ2/T2 ≥ ΔQ1/T1. Aus der zweiten Gleichung folgt ΔQ2 ≥ ΔQ1 · T2/T1. Diese Abwärmeverluste ΔQ2 sind wegen des Zweiten Hauptsatzes zwingend notwendig und können bei vorgegebenen Temperaturen T1 und T2 durch keine technischen Maßnahmen unterschritten werden. Diese Grenze des Wirkungsgrades für eine Wärmekraftmaschine ist in theoretischen Kreisprozessen wie dem Carnot-Prozess realisiert. Dazu kommen noch technisch bedingte Wandlungsverluste.

Solarenergie[Bearbeiten]

Der Wirkungsgrad von Wandlungen steigt mit den Temperaturunterschieden (oder deren Äquivalent), die im Wandlungssystem genutzt werden können. Beispielsweise findet zunehmend der photoelektrische Effekt in der Photovoltaik Verwendung. Die durch die direkte photoelektrische Wandlung erzielten Wirkungsgrade liegen aber heute noch unterhalb der konventionellen, doppelten thermisch-mechanisch-elektrischen Wandlung. Viel höhere Temperaturunterschiede treten dagegen bei Sonnenwärmekraftwerken auf, in denen beispielsweise die durch Spiegel konzentrierte Strahlungsenergie erst durch Absorption in thermische, dann konventionell in mechanische und schließlich elektrische Energie umgewandelt werden.

Siehe auch[Bearbeiten]