- Energieumwandlung und Energieerzeugung
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Die umgangssprachlichen Begriffe Energieumwandlung - auch Energiewandlung - und „Energieerzeugung“ werden im Allgemeinen zwar unterschiedlich verwendet, sind jedoch im naturwissenschaftlichen bzw. technischen Sinne nahezu identisch, wenn man den allgemeinen, mitunter auch falschen Sprachgebrauch unterstellt. Energie kann nicht „erzeugt“ werden, sie kann lediglich in unterschiedliche Erscheinungsformen gewandelt werden. Im Sprachgebrauch wird die Stromerzeugung jedoch oft (fälschlicherweise) als „Energieerzeugung“ bezeichnet. Der wissenschaftlich korrekte Begriff für jede Änderung einer Energieform ist Wandler und Wandlung.
Energie kann in verschiedenen Formen wie zum Beispiel kinetischer Energie oder thermischer Energie auftreten und auch von einer Form in die andere gewandelt werden. Verschiedene Arten solcher Wandlungen werden im Artikel Wandler aufgelistet und näher erläutert. Ein Beispiel ist die Reibung, die z. B. mittels einer Bremse als Wandler kinetische Energie in thermische Energie wandelt. Für die Energie gilt dabei stets der Energieerhaltungssatz. Es ist in einem abgeschlossenen System nicht möglich, Energie zu vernichten, weil dann gleichzeitig Energie gleichen Betrags in einer anderen Form erzeugt werden müsste, um den Erhaltungssatz für die Gesamtenergie zu erfüllen [1]. Energie ist äquivalent zur Masse und unterliegt der Entropie.
Inhaltsverzeichnis
„Energieerzeugung“ als Begriff der Umgangssprache
Der umgangssprachliche Begriff der Energieerzeugung wird fachlich weniger korrekt meist für eine spezielle Form der Wandlung verwendet, bei welcher eine für den Menschen nicht oder schlecht nutzbare Energieform, die Primärenergie, in eine für ihn besser oder sogar universell einsetzbare Energieform, die Sekundärenergie, gewandelt wird. Bei letzterer handelt es sich in der Regel um Elektrizität; gewonnen wird sie meist aus thermischer Energie, die aufgrund des thermodynamischen Kreisprozesses mittels Turbinen oder Kolbenmaschinen in mechanische Energie und dann mit Generatoren in elektrische Energie gewandelt wird. Auch diese Energieformen unterliegen dabei bezüglich der Gesamtenergie dem Energieerhaltungsatz, es wird also keine Energie erzeugt. Aus diesem Grund meidet man im wissenschaftlichen Sprachgebrauch den Begriff der Energieerzeugung, welcher dennoch umgangssprachlich in technischen Anwendungsfeldern und besonders in der Energiewirtschaft (Stromerzeugung), nach obiger Bedeutung, seine Anwendung findet. Die gleiche Überlegung gilt in ähnlicher Weise auch für die Begriffe Energieverbrauch, Energiesparen und Energieverlust.
Grenzen der Wandlung
In der Thermodynamik ist die Entropie ein Maß für die Wandlung der in einem geschlossenen System enthaltenen Energie.
In ihrer Freiheit werden Wandlungen durch den Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik eingeschränkt. Betrachtet man auf makroskopischer Ebene demnach ein abgeschlossenes System, so können immer nur Wandlungen ablaufen, bei denen die Gesamtentropie sinkt.
Beispiel: Elektromotor
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.
Beispiel: Dampfturbine
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. Dazu kommen noch technisch bedingte Wandlungsverluste.
Beispiel: Solarenergie
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.
Einzelnachweise
Siehe auch
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