Die Energieeffizienten

Was ist Energie? Grundlagen der Energieeffizienz

Im Folgenden sollen mit einfachen und anschaulichen Erläuterungen rund um das Thema Energie die theoretischen Grundlagen dieser Thematik auch Fachfremden nachvollziehbar gemacht werden.

Das Wort Energie wurde dem Griechischen entnommen und bedeutet soviel wie „Tatkraft“. Energie ist eine unsichtbare Rechengröße ‒ das Produkt aus Leistung und Zeit ‒, die durch ihre Wirkung identifiziert werden kann. Diese Wirkung besteht aus Bewegung, Beschleunigung, Beleuchtung oder Erwärmung. Energie tritt in unterschiedlichen Arten und Formen auf, und zwar als mechanische und chemische Energie, Wärme- und Strahlungsenergie, elektrische Energie oder als Kernenergie. Jede Aktivität ist mit der Umwandlung einer Form von Energie in eine andere verbunden, nicht etwa mit dem Aufbrauchen von Energie. Die Gesamtmenge an Energie bleibt so ‒ den Gesetzen der Physik folgend ‒ konstant. Somit verbietet sich genaugenommen die häufig zu hörende Verwendung des Ausdrucks „Energieverbrauch“. Dies wird als 1. Hauptsatz der Thermodynamik bezeichnet (Energieerhaltung).

Den Gesetzmäßigkeiten der Physik folgend unterliegt die Umwandlung von einer Form der Energie in eine andere einer Beschränkung. So kann zwar die (hochwertige) Energie einer geordneten Form ‒ z. B. mechanische Bewegungsenergie ‒ vollständig in Energie einer (niederwertigen) weniger geordneten Form ‒ z. B. Wärme ‒ überführt werden. Umgekehrt aber kann nur ein Teil der ungeordneten Energieform Wärme in die sehr geordnete Energieform Elektrizität umgewandelt werden.

Nach der Reihenfolge ihres Einsatzes wird Energie in vier Gruppen unterteilt:

• Als Primärenergie bezeichnet werden die von der Natur direkt zur Verfügung gestellten Energieträger, wie z. B. Holz, Stein- und Braunkohle, Erdöl, Erdgas, Uranerz, Wasser, Wind oder Sonne. Leider lassen sich diese Primärenergien nur in seltenen Fällen direkt ‒ z. B. zum Antrieb eines Fahrzeugs oder zur Bearbeitung von Werkstoffen ‒ nutzen.
• In den meisten Anwendungsfällen muss Primärenergie erst in handhabbare Sekundärenergie umgewandelt werden, so dass sie gebrauchs- und transportfähig wird (z. B. in Strom, Fernwärme, Benzin oder Heizöl) und ist dadurch im Unterschied zur Primärenergie bereits durch einen verringerten nutzbaren Energieinhalt gekennzeichnet.
• Die Energie am Ort ihres Verbrauchs wird Endenergie genannt. In Deutschland setzt sich diese aus ca. 80 Prozent Sekundär- und knapp 20 Prozent Primärenergie zusammen.
• In der letzten Stufe wird Endenergie in Nutzenergie mit Hilfe eines Motors, Ofens, Computers oder einer Glühbirne zu Arbeit, Raumwärme, Information, Schall und Licht umgewndelt.

Diese Energiewandlung erfolgt in diversen Energiewandlungssystemen mit sehr unterschiedlichen Wirkungs- bzw. Nutzungsgraden:

• In Kraftwerken wird aus Kohle, Gas, Uran bzw. Wasser-, Wind- oder Sonnenenergie Strom erzeugt.
• Raffinerien produzieren auf Erdölbasis Benzin, Diesel- und Heizöl sowie Chemie-Rohstoffe, wobei auch Kohle zu Gas oder flüssigem Brennstoff veredelt werden kann.
• Verbrennungsmotoren und Gasturbinen stellen mechanische Arbeit und Wärme aus den eingesetzten Brennstoffen her.
• Elektromotoren wandeln elektrische Energie in mechanische und umgekehrt Generatoren mechanische in elektrische Energie.

Thermodynamik

Thermodynamik wird auch als Wärmelehre bezeichnet. Ihre Gesetze beschreiben die Grundlagen für den Einsatz der Energie in ihren vielfältigen Formen. Der Schlüssel zu einer angemessenen Beurteilung energietechnischer Verfahren liegt im Begriff der Arbeitsfähigkeit der Energie. In der Thermodynamik wird dieser Begriff auch als Exergie bezeichnet. Der Begriff Arbeitsfähigkeit wird nachfolgend nicht im Detail thermodynamisch abgeleitet ‒ dies leisten verschiedenste Lehrbücher umfassend. Vielmehr soll das Wesen der Arbeitsfähigkeit verdeutlicht werden. Denn eine Verminderung der Verluste an Arbeitsfähigkeit führt zwangsläufig zu einer Absenkung des Energiebedarfs. Zum Betrieb einer Anlage wird Exergie benötigt und nicht Energie, die uns in Hülle und Fülle auf Umgebungsniveau umgibt (Umgebungsdruck, -temperatur). Aus diesem Grund ist es bei der Betrachtung von Energiewandlungsprozessen unumgänglich, kontinuierlich nach Exergieverlustquellen zu suchen. Energie setzt sich aus einem Teil, der Arbeit leisten kann (Exergie), und einem Teil, welcher sich bereits auf Umgebungsniveau befindet und keine Arbeitsfähigkeit besitzt (Anergie), zusammen.

Energie = Exergie + Anergie

Ist die Arbeitsfähigkeit der Energie einmal verloren, kann sie nicht mehr zurückgewonnen werden. Energieeffizienz bedeutet somit, die Verluste an Arbeitsfähigkeit weitgehend zu vermeiden. Der Begriff Exergie ist nützlich und notwendig, um Energieformen mit Blick auf ihre praktische Nutzung schnell und einfach bewerten zu können. Werden beispielsweise die Stromerzeugung und die Wärmeabgabe eines Heizkraftwerks ‒ beide in Kilowattstunden ‒ einfach zusammengerechnet, entsteht leicht der Eindruck, dass Strom und Wärme hinsichtlich ihrer Umwandelbarkeit die gleiche Qualität bzw. den gleichen Exergiegehalt haben. Tatsächlich ist aber der Exergiegehalt der Wärme vom sogenannten thermodynamischen Wirkungsgrad begrenzt und in der Praxis im Vergleich zum Strom relativ gering.

Primärenergieträger, wie Kohle oder Erdgas, besitzen einen Qualitätsanteil nahe 1. Sie bestehen also fast vollständig aus Exergie. Elektrische oder mechanische Energie besteht sogar zu 100 Prozent aus Exergie und sind vollständig arbeitsfähig. Sie weisen den maximal möglichen Qualitätsanteil auf und stellen damit höchstwertige Energie dar. Anders verhält es sich etwa mit heißem Wasser, wie es in Heizkörpern zur Raumheizung verwendet wird. Dessen Qualitätsanteil ist gering. Bei Heizwasser von 100 °C beträgt er bestenfalls etwa 0,2. Das bedeutet, dass die Energie dieses Heizwassers nur zu 20 Prozent aus Exergie und zu 80 Prozent aus Anergie besteht. Nimmt das Heizwasser die Umgebungstemperatur an, ist der im betrachteten System nutzbare Exergieanteil vollständig in Anergie umgewandelt. Der Qualitätsanteil ist aufgrund fehlender Temperaturdifferenz somit 0 und der Nichtumkehrbarkeitsanteil ist 1 oder 100 Prozent.

1. Hauptsatz der Thermodynamik: Prinzip der Energieerhaltung

Nach dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik kann in einem abgeschlossenen System Energie mengenmäßig nicht verlorengehen. Sie kann nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden. Wenn also in der Praxis fälschlicherweise von Energieverlusten gesprochen wird, sind damit die im Rahmen eines Energiewandlungsprozesses entstehenden Exergieverluste zugunsten eines Anergieanstiegs gemeint.

2. Hauptsatz der Thermodynamik: Prinzip der Energieentwertung

Ähnlich wie bei einem Wasserfall, der nur bei einem Höhenunterschied funktioniert, ist die Grundvoraussetzung für einen Energiewandlungsprozess, dass ein höheres und ein niedrigeres „Niveau“ vorliegen. Die Energiewandlung ist dabei in der Natur immer vom höheren zum niedrigeren Niveau gerichtet ‒ niemals umgekehrt. Diese Niveaudifferenz ist die Voraussetzung für die Fähigkeit von Energie, Arbeit zu verrichten. Diese Arbeitsfähigkeit dient als Maß für die Qualität der Energie. Am Leichtesten lässt sich diese Qualität anhand der Wärmeenergie erklären: Je höher die Temperatur, desto höher der Anteil der Arbeitsfähigkeit der Energie. Ein Dampfprozess in einem reinen Dampfkraftwerk hat z. B. eine obere Prozesstemperatur von ca. 540°C, die untere Prozesstemperatur liegt dicht über der Umgebungs- oder Kühlwassertemperatur bei etwa 40°C (Kondensationstemperatur). Dabei bestimmt im Wesentlichen die obere Temperatur den Wirkungsgrad des Kraftwerkes und damit, wieviel Strom aus der Primärenergie gewonnen werden kann (Besonderheiten, wie z. B. Zwischenüberhitzung, sind in diesem Beispiel nicht berücksichtigt). Bei einem kombinierten Prozess aus Gas- und Dampfturbine wird dagegen ein viel höheres Temperaturniveau genutzt: Von etwa 580°C bis 1.200°C in der Gasturbine, und von 540°C bis auf Kondensationsniveau in der nachgeschalteten Dampfturbine. Ein Beispiel zur Erläuterung der Arbeitsfähigkeit von Energie, also dem Zusammenhang zwischen Energie und Exergie, ist mit der nachfolgenden Analogie nach Rant gegeben; siehe auch Abb. 1 bis 3:

 

Eine Stadt soll mit Wasser versorgt werden. Die Wasserversorgung kann aus zwei Vorräten gedeckt werden. Einerseits durch einen in den benachbarten Bergen liegenden See, aus dem aber nur 10 Prozent des Wasserbedarfs der Stadt gedeckt werden können. Das benötigte Wasser würde in diesem Fall dem aus den Bergen kommenden Fluss entnommen werden. Andererseits befindet sich ein zusätzliches Grundwasserreservoir in der Nähe, welches zur Deckung der Wasserversorgung genutzt werden kann; siehe Abb. 1.

 

Wird zur Flusswassernutzung eine Rohrleitung eingesetzt, kann das unter Druck stehende Wasser (hoher Exergieanteil = hohe Arbeitsfähigkeit) eine Turbinen-Pumpenkombination antreiben, welche wiederum das unter der Stadt befindliche Grundwasser (Umgebungsniveau) auf eine für die Wasserversorgung der Stadt notwendige Höhe pumpt (Energie auf Bedarfsniveau); siehe Abb. 2.

 

Würde ein geöffnetes Ventil in die Druckleitung neben der Turbine installiert, so würde sofort das gesamte Wasser durch das Ventil strömen. Der Druck baute sich dabei ungenutzt ab. Die Turbine aber bliebe stehen und könnte die Pumpe nicht mehr antreiben. Nun kann zwar noch das gesamte Wasser aus den Bergen für die Wasserversorgung der Stadt genutzt werden, aber seine Fähigkeit, Arbeit zu leisten, geht verloren. Der gesamte Wasserbedarf der Stadt kann nicht mehr gedeckt werden; siehe Abb. 3.

Das Ventil entspricht in der Analogie einem Heizkessel. In jedem modernen Heizkessel wird zwar der Energiegehalt des Brennstoffes fast vollständig genutzt, aber seine Arbeitsfähigkeit geht fast ungenutzt verloren, so wie sich der Druck ungenutzt im Ventil des vorher genannten Beispiels abbaut.

Ein weiterer häufig verwendeter Begriff der Thermodynamik ist die Entropie. Die Entropie ist ein Maß für die „Unordnung“ in einem geschlossenen System. Je höher in einem System dieser Wert ist, umso mehr hat sich die Arbeitsfähigkeit in diesem System verringert. Ist die Arbeitsfähigkeit Null, hat der Entropiewert sein Maximum erreicht.

Wird z. B. warmes Wasser in einen Behälter mit kaltem Wasser gegossen, vermischen sich beide Wässer ‒ ein typisches Beispiel für das Prinzip zunehmender Entropie. Die Vermischung vollzieht sich im betrachteten System auf nicht umkehrbare, irreversible Weise. Aus der bisherigen Ordnung (z. B. „Wein“ und „Wasser“) wird totale Unordnung („Schorle“) durch eine chaotische Verteilung der Moleküle. Dieser dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik entsprechende Ablauf folgt dem Entropiesatz oder dem „Satz des Geschehens“. Danach gilt, dass in einem betrachteten geschlossenen System, in dem über die Wärmeabfuhr hinaus kein Energieaustausch stattfindet, die Arbeitsfähigkeit und damit die Qualität der Energie abnimmt und die Entropie ‒ der Temperaturausgleich ‒ zunimmt. Mit anderen Worten: In einem geschlossenen System nimmt die Entropie ‒ der nicht mehr für eine Arbeitsleistung einsetzbare Energieanteil (Anergie) ‒ zu. Jede Arbeitsleistung verursacht so die Abwertung einer bestimmten Menge Energie, die damit an Qualität verliert.

Carnot-Wirkungsgrad

Die thermodynamische Güte eines Prozesses wird durch den Carnot-Wirkungsgrad beschrieben. Er definiert die theoretisch maximale Exergieausbeute, die mit einem mit Wärmeenergie arbeitenden Energiewandlungsprozess überhaupt erreichbar ist. Sie ist abhängig von der absoluten Temperatur des Mediums und der absoluten Temperatur der Umgebung. Damit gibt dieser „Carnotsche Wirkungsgrad“ den Rahmen vor, in dem sich der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine bestenfalls bewegen kann.

η_Carnot = 1 - T_u / T

Aufgrund unvermeidlicher innerer Verluste (u.a. bei Motoren, Generatoren, Wärmeübertragung oder bei Turbinen) sind diese Idealwerte allerdings in der Praxis nicht erreichbar.