Energiewandler

Ein Energiewandler tauscht Energie zwischen Systemen aus, wobei mindestens zwei Energieformen beteiligt sind, deren Anteile sich verändern.^[1]^[2] Zum Beispiel wandelt ein Ottomotor die chemische Energie des Benzins in kinetische Energie (zu Antriebszwecken).

Großtechnische Energiewandlungsanlagen wie Kraftwerke bestehen aus mehreren Energiewandlern, die stufenweise Primärenergieformen in technisch nutzbare Energieformen wie elektrische Energie (Strom) 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, insbesondere elektrische Energie in Gestalt bei der Stromerzeugung.

Die Technologien der Energiewandlung sind Teilgebiete der Energietechnik und die Erzeugung und Übertragung von Strom ein Teilgebiet der elektrischen Energietechnik.

Geschichte

Physikalische Grundlagen

Thermodynamik

Energiewandlungen unterliegen physikalischen Gesetzmäßigkeiten aus der Thermodynamik. 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.

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. Im Folgenden werden bekannte Energiewandlungsprozesse genauer dargestellt.

Beispiele für Umwandlungen von Energieformen
nach → ↓ von	Mechanische Energie	Thermische Energie	Strahlungsenergie	Elektrische Energie	Chemische Energie	Kernenergie
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
Kernenergie		Kernreaktor, Kernwaffe	Gammastrahlen	Radionuklidbatterie	Radiolyse	Brutreaktor

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad von Wandlungen steigt mit den Temperaturunterschieden (oder deren Äquivalent), die im Wandlungssystem genutzt werden können. 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. Moderne Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk erreichen sogar Wirkungsgrade über 33 %.

Energieformen und Technologien

Fast alle technischen und biologischen Prozesse sind mit der Umwandlung von Energie verbunden. Daher gibt es Beispiele von Energiewandlern für fast alle Kombinationen von Energieformen. Es folgen einige Beispiele für grundlegende Prozesse und Technologien.

Alternative Kraftwerke

Zu den alternativen Kraftwerken, welche erneuerbare Energien umwandeln, zählen Windkraft- und Solaranlagen (Photovoltaik). Sie benötigen keinen Dampfkreislauf. Ersteres wandelt Windenergie und Letzteres Sonnenenergie (Strahlungsenergie) in elektrische Energie (Strom) um.

Kernenergie

Kernenergie (Atomenergie) ist eine besondere Form der Energieumwandlung, die durch die Prozesse der Kernspaltung oder Kernfusion entsteht. Erstere werden großtechnisch durch Kernreaktoren realisiert. Dabei liefern der gespaltene Atomkern bzw. seine radioaktiven Bruchstücke ihre kinetische Bewegungsenergie an die umgebenden Atome im Kernmaterial ab, welches sich dadurch erwärmt. Im Falle der Fusion von kleinen Atomkernen, wie Deuterium oder Tritium, fällt eine rund zwei Drittel größere Bindungsenergie an, die ebenfalls zu Wärme führt. Kernenergie ist die Energiequelle, die der Mensch kennt und nutzt. Sie dient als Wärmequelle für die Folgeprozesse, speziell über einen Dampfkreislauf, wie er bei der Stromproduktion zum Einsatz kommt.

Konventionelle Kraftwerke und Dampfkreisläufe zur Stromproduktion

Die Umsetzung von Primärenergie zu elektrischem Strom geschieht großtechnisch in Kraftwerken, z. B. Kohle-, Gas- oder Kernkraftwerken. Zu den seit Jahrzehnten genutzten Kreisprozessen gehören Dampfturbinen. Eine Dampfturbine treibt einen elektrischen Generator an, es wird thermische Energie über Wasserdampf 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. Für andere Kraftwerke gelten:

der Clausius-Rankine-Kreisprozess für Kohle- und Kernkraftwerken;
der Brayton oder Joule-Zyklus (vgl. auch Joule-Thompson-Effekt), bei Gasturbinen bzw. Gaskraftwerken (vgl. auch Gas- und Dampfkraftwerke).

Eine entscheidende Komponente des Systems Kraftwerk ist dabei der Turbosatz.

Motoren zu Antriebszwecken

Ein Elektromotor wandelt elektrische Energie in kinetische Energie. Er ist eine technische Lösung (Gerät) für Zwecke des elektrischen Antriebs. Ebenso wandeln die Verbrennungsmotoren chemische Energie (gespeichert als Kohlenwasserstoffe in Kraftstoffen durch Verbrennung) in kinetische Energie um. Zu den Motoren zählen auch Luftfahrtantriebe und Raketenantriebe.

Aus Strom können neue Energieformen erzeugt werden. Ein Laser beispielsweise erzeugt mittels elektrischer Energie Laserlicht. Die Umwandlung elektrischer Energie (Strom und Spannung) in andere Energiearten erfolgt mithilfe von Leistungselektronik und Stromrichtertechnik.

Solarenergie

In der Photovoltaik findet der photoelektrische Effekt Verwendung. Die durch die direkte photoelektrische Wandlung erzielten Wirkungsgrade lagen viele Jahrzehnte unter denen konventioneller Kraftwerke, die einen Wirkungsgrad von rund einem Drittel erreichen. Bei der Stromproduktion spielen jedoch die Stromgestehungskosten eine übergeordnete Rolle.

Siehe auch

Portal: Energie – Übersicht zu Wikipedia-Inhalten zum Thema Energie

Literatur

Douglas M. Considine (Hrsg.): Energy Technology Handbook (= McGraw-Hill Handbooks). McGraw-Hill Book Company, New York 1977, ISBN 0-07-012430-2 (englisch, archive.org).
Ralph C. Bohn, Angus J. MacDonald: Power and Energy Technology. 3. Auflage. McGraw-Hill, Mission Hills, CA 1991, ISBN 978-0-02-676490-2 (englisch, archive.org).
Walter L. Borst: Essentials of Energy Technology: Sources, Transport, Storage, Conservation. John Wiley & Sons, Weinheim 2014, ISBN 978-3-527-33416-2 (englisch, wiley-vch.de).
Ulrich Blum, Eberhard Rosenthal, Bernd Diekmann: Energie – Grundlagen für Ingenieure und Naturwissenschaftler: Machbarkeiten, Grenzen und Umweltauswirkungen. Springer Fachmedien Wiesbaden, Wiesbaden 2020, ISBN 978-3-658-26932-6, doi:10.1007/978-3-658-26933-3.

Einzelnachweise

↑ Richard Marenbach, Johann Jäger, Dieter Nelles: Energieumwandlung. In: Elektrische Energietechnik. Springer Fachmedien Wiesbaden, Wiesbaden 2020, ISBN 978-3-658-29491-5, S. 285–387, doi:10.1007/978-3-658-29492-2_7 (springer.com [abgerufen am 31. Juli 2026]).
↑ Eduard Heindl: Das Prinzip der Energieumwandlung. In: Energie. Springer Fachmedien Wiesbaden, Wiesbaden 2026, ISBN 978-3-658-50485-4, S. 85–102, doi:10.1007/978-3-658-50486-1_6 (springer.com [abgerufen am 31. Juli 2026]).

[1] Richard Marenbach, Johann Jäger, Dieter Nelles: Energieumwandlung. In: Elektrische Energietechnik. Springer Fachmedien Wiesbaden, Wiesbaden 2020, ISBN 978-3-658-29491-5, S. 285–387, doi:10.1007/978-3-658-29492-2_7 (springer.com [abgerufen am 31. Juli 2026]).

[2] Eduard Heindl: Das Prinzip der Energieumwandlung. In: Energie. Springer Fachmedien Wiesbaden, Wiesbaden 2026, ISBN 978-3-658-50485-4, S. 85–102, doi:10.1007/978-3-658-50486-1_6 (springer.com [abgerufen am 31. Juli 2026]).

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