Energiewandler

Begriff und Bedeutung

Ein Energiewandler tauscht Energie zwischen Systemen aus. Dabei sind mindestens zwei Energieformen beteiligt, deren Anteile sich verändern. Energiewandlung bezeichnet entsprechend Prozesse, bei denen Energie zwischen einem System und seiner Umgebung in mindestens zwei Energieformen ausgetauscht wird.

Ein einfaches Beispiel ist die Bohrmaschine: Sie nimmt elektrische Energie auf und gibt kinetische Energie als Rotation des Bohrfutters ab. Ein Ottomotor wandelt die chemische Energie des Benzins in kinetische Energie für Antriebszwecke um.

Großtechnische Anlagen wie Kraftwerke bestehen aus mehreren Energiewandlern. Sie wandeln Primärenergieformen schrittweise in technisch nutzbare Energieformen um, etwa elektrische Energie (Strom) oder thermische Energie für Prozess- und Fernwärme. Für die Wandlung zu elektrischer Energie ist umgangssprachlich auch „Energieerzeugung“ üblich; gemeint ist dabei die nach dem Prozess bereitgestellte Energieform, insbesondere Strom. Die Technologien gehören zur Energietechnik, Stromerzeugung und -übertragung zur elektrischen Energietechnik.

Physikalische Grenzen der Energiewandlung

Energiewandlungen folgen den Gesetzen der Thermodynamik. In einem abgeschlossenen System ist Energie eine Erhaltungsgröße: Sie kann weder erzeugt noch vernichtet werden. In realen Systemen kann außerdem nicht 100 % einer Energieform in eine andere überführt werden. Es entstehen Verluste in andere Kanäle, meist als nicht genutzte Wärme, also thermische Energie.

Der Wirkungsgrad beschreibt, welcher Anteil der zugeführten Energie in die gewünschte Energieform umgewandelt wird. Wärmeverluste sind auch wegen der Entropie unvermeidbar. Nur in einem idealen Denkmodell tragen beide Energieformen keine Entropie. Die bei Wärme entstehende Entropie sorgt in realen Prozessen für das vom Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik geforderte Anwachsen der Gesamtentropie und verhindert ein Perpetuum mobile.

Energie kann unter anderem zwischen mechanischer, thermischer, Strahlungs-, elektrischer, chemischer und Kernenergie gewandelt werden. Beispiele sind Generatoren für mechanische zu elektrischer Energie, Elektromotoren für elektrische zu mechanischer Energie, Solarzellen für Strahlungs- zu elektrischer Energie, Brennstoffzellen für chemische zu elektrischer Energie sowie Kernreaktoren für Kern- zu thermischer Energie.

Kraftwerke und Dampfkreisläufe

In Kohle-, Gas- und Kernkraftwerken wird Primärenergie großtechnisch zu Strom umgesetzt. Bei einem seit Jahrzehnten genutzten Dampfkreislauf wandelt eine Dampfturbine thermische Energie über Wasserdampf in mechanische Energie und treibt damit einen elektrischen Generator an. Eine entscheidende Komponente des Kraftwerks ist der Turbosatz.

Der Turbine wird bei der Temperatur T₁ Wärme ΔQ₁ zugeführt. Diese trägt die Entropie ΔS₁ = ΔQ₁/T₁. Die erzeugte elektrische Energie ΔW trägt keine Entropie. Deshalb kann nicht die gesamte Wärme in Strom gewandelt werden: Die Turbine muss Abwärme ΔQ₂ bei der Temperatur T₂ abgeben. Es gilt ΔQ₁ = ΔW + ΔQ₂ sowie ΔS₂ ≥ ΔS₁ ⇔ ΔQ₂/T₂ ≥ ΔQ₁/T₁. Daraus folgt ΔQ₂ ≥ ΔQ₁ · T₂/T₁.

Diese Abwärmeverluste sind bei vorgegebenen Temperaturen T₁ und T₂ wegen des Zweiten Hauptsatzes zwingend und durch technische Maßnahmen nicht unterschreitbar. Die theoretische Wirkungsgradgrenze einer Wärmekraftmaschine wird im Carnot-Prozess erreicht; zusätzlich treten technisch bedingte Verluste auf. Kohle- und Kernkraftwerke nutzen den Clausius-Rankine-Kreisprozess. Gasturbinen und Gaskraftwerke nutzen den Brayton- oder Joule-Zyklus; hierzu gehören auch Gas-und-Dampfkraftwerke. Der Wirkungsgrad steigt mit den nutzbaren Temperaturunterschieden. Moderne Gas-und-Dampf-Kombikraftwerke erreichen Wirkungsgrade über 33 %.

Technologien und Anwendungen

Fast alle technischen und biologischen Prozesse sind mit Energieumwandlungen verbunden. Alternative Kraftwerke für erneuerbare Energien sind Windkraftanlagen und Solaranlagen der Photovoltaik. Sie benötigen keinen Dampfkreislauf: Windkraft wandelt Windenergie, Photovoltaik Sonnenenergie als Strahlungsenergie direkt in elektrische Energie um.

Bei Sonnenwärmekraftwerken wird durch Spiegel konzentrierte Strahlungsenergie zunächst durch Absorption in thermische Energie umgewandelt, anschließend konventionell in mechanische und schließlich in elektrische Energie.

Kernenergie entsteht durch Kernspaltung oder Kernfusion. Kernspaltung wird großtechnisch in Kernreaktoren genutzt: Der gespaltene Atomkern beziehungsweise seine radioaktiven Bruchstücke geben kinetische Bewegungsenergie an umgebende Atome im Kernmaterial ab, das sich dadurch erwärmt. Bei der Fusion kleiner Atomkerne wie Deuterium oder Tritium entsteht eine rund zwei Drittel größere Bindungsenergie, die ebenfalls zu Wärme führt. Kernenergie dient als Wärmequelle für Folgeprozesse, besonders für den Dampfkreislauf der Stromproduktion.

Elektromotoren wandeln elektrische in kinetische Energie um. Verbrennungsmotoren wandeln die in Kohlenwasserstoffen gespeicherte chemische Energie von Kraftstoffen durch Verbrennung in kinetische Energie um; auch Luftfahrt- und Raketenantriebe zählen zu den Motoren. Strom kann außerdem andere Energieformen bereitstellen, beispielsweise erzeugt ein Laser mit elektrischer Energie Laserlicht. Die Umwandlung von Strom und Spannung in andere Energiearten erfolgt mithilfe von Leistungselektronik und Stromrichtertechnik.

In der Photovoltaik wird der photoelektrische Effekt genutzt. Die Wirkungsgrade der direkten photoelektrischen Wandlung lagen viele Jahrzehnte unter denen konventioneller Kraftwerke, die rund ein Drittel erreichen. Für die Stromproduktion haben jedoch die Stromgestehungskosten eine übergeordnete Bedeutung.