Energiewandler

Ordnung stufenweiser Energiewandlungen zur Stromerzeugung

Ein Energiewandler tauscht Energie zwischen einem System und der Umgebung in mindestens zwei Energieformen aus. Zum Beispiel wandelt ein Benzinmotor chemische Energie in kinetische Energie. 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).

Geschichte

Grundlagen

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.

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.

Beispiele

Fast alle technischen und biologischen Prozesse sind mit der Umwandlung von Energie verbunden. Daher gibt es Beispiele von Energiewandlern für fast alle Paare von Energieformen.

Elektromotor

Ein Elektromotor wandelt elektrische Energie in kinetische Energie.

Dampfturbine

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

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.

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	Elektromotoren	Elektroherd	Blitz	Transformatoren	Akkumulator
Chemische Energie	Muskel	Ölheizung	Glühwürmchen	Brennstoffzelle	Kohlevergasung
Nukleare Energie	Atombombe	Kernreaktor	Gammastrahlen	Radionuklidbatterie	Radiolyse	Brutreaktor

Literatur

Andreas Binder: Elektrische Maschinen und Antriebe: Grundlagen, Betriebsverhalten. Springer-Verlag, 9. Dezember 2012, ISBN 978-3-540-71850-5.
Dieter Meschede: Gerthsen Physik. Springer-Verlag, 21. November 2013, ISBN 978-3-662-07458-9.

Basierend auf einem Artikel in:

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