Einleitung

Energieformen und Wandlung

Elektrische Energie

Erzeugung elektrischer Energie



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Physikalisches Grundwissen

Was ist Energie ?

Energie ist die Fähigkeit eines physikalischen Systems, Arbeit zu verrichten.
Oder anders:
Ein System ist in der Lage, beim Übergang von einer Energieform in die Andere etwas für den Menschen Nützliches zu leisten. Energie kann nicht aus dem Nichts entstehen und auch nicht vernichtet werden (Energieerhaltungssatz).

Der Mensch bezeichnet meist nur solche Potentiale eines physikalischen Systems als Energie, welche er in der Lage ist, in andere Energieform zu wandeln. Erhitzen wir elektrisch Wasser, so verrichtet der elektrische Strom Arbeit am Wasser, das Wasser und die Umgebung werden warm. Die Gesamtwärmemenge entspricht exakt der Menge an elektrischer Energie, die "verbraucht" wurde. Wir verbrauchen also keine Energie, sondern wandeln nur die verschiedenen Energieformen ineinander um. Die energetischen Endprodukte beim Autofahren auf ebener Fläche sind erstaunlicherweise nur warme Luft, da nur die Luftreibung und Rollreibung überwunden werden müssen.

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Energieformen und Wandlung

Energie kann in u.a. in folgenden Formen auftreten:

  • Thermische Energie
      Jede Temperaturdifferenz besitzt wandelbare thermische Energie, im Kraftwerk zum Beispiel: die Temperaturdifferenz zwischen Verbrennungswärme und der Umgebungstemperatur.
  • Mechanische Energie
      kinetische Energie - Energie einer bewegten Masse, Trägheitsgesetz; Wird eine Bewegung unter Kraftaufwand ausgeführt, so nennt man dies mechanische Arbeit.
  • Chemische Energie
      wird meist durch Verbrennung des Stoffes frei. Außerdem ist eine direkter Übergang von chemischer in elektrische Energie möglich, diese Vorgänge werden als Elektrochemie bezeichnet und finden in Batterien und der Wasserstofftechnik Anwendung.
  • Potentielle Energie
      wird eine Masse im Gravitationsfeld nach oben oder unten verschoben, so nimmt sie Energie auf oder gibt sie ab. Im Pumpspeicherkraftwerk ist das obere Wasserreservat gespeicherte Energie. Eine gespannte Feder besitzt auch Potentielle Energie. Mechanische Uhren besitzen einen Federspeicher.
  • Elektrische Energie
      Elektrische Energie erkennt man nur an ihren Wirkungen.
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    Die Besonderheit der elektrischen Energie

    Die Besonderheit der elektrischen Energie

    Elektrische Energie wird als die hochwertigste Energieform betrachtet, sie genießt eine Sonderstellung in unserer Gesellschaft. Wenn von Energieerzeugung die Rede ist, so ist meist immer die Umwandlung von Primärenergieträgern in Strom gemeint.

    Die Vorteile und Nachteile der elektrischen Energie:

    Elektrische Energie lässt sich sauber und mit geringem Aufwand in die meisten benötigten Energieformen wandeln, zudem ist sie einfach zu transportieren. Dies macht elektrische Energie zu der wichtigsten und wertvollsten Energieform in Bezug auf ihre Nutzung. Bei der Erzeugung und Wandlung bestehen jedoch große Nachteile. Elektrische Energie ist mit konventioneller Technik nur in kleinen Mengen speicherbar. Elektrische Energie wird meist aus chemischen Primärenergieträgern erzeugt, was mit konventioneller Technik unter sehr begrenzten Wirkungsgrad geschieht.

    Diese Umwandlung geschieht meist immer über die Energieformen Wärmeenergie und mechanische Energie. Um Wärmeenergie in mechanische Energie zu wandeln, muss man über die Gesetze der Thermodynamik. Diese besagen, dass Wärme nicht zu 100% in mechanische Energie gewandelt werden kann. Es kann nur eine Temperaturdiffernz umgewandelt werden, wobei der Wirkungsgrad eine Funktion der Temperaturdifferenz und ihrem Abstand zum absoluten Temperaturnullpunkt ist. (Hauptsätze der Thermodynamik)

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    Erzeugung von elektrischer Energie

    Die Erzeugung elektrischer Energie ist durch folgende physikalische Effekte direkt möglich.

    Erzeugung aus thermischer Energie:

      Elektrische Energie kann direkt mit Hilfe eines Seebeckelements aus einer Temperaturdifferenz erzeugt werden. Ein Seebeckelement ist ein auf Halbleiterbasis arbeitendes Thermoelement. Zurzeit werden diese Elemente nur in der Raumfahrttechnik eingesetzt. Der Wirkungsgrad hängt von der Temperaturdifferenz ab und liegt bei rund 20% mit einigen hundert Watt Leistung.

    Erzeugung aus mechanischer Energie:

      Eine im Magnetfeld bewegte Leiterschleife erzeugt eine Induktionsspannung. Dieses Gerät nennt sich Generator/Motor und ist die Wandlungsform, die der Mensch am besten beherrscht. Alle großtechnischen Anlagen zu Energieerzeugung arbeiten nach diesem Prinzip. Die Wirkungsgrade gehen gegen 100% im Megawattbereich.(Der Hacken liegt bei der Erzeugung von mechanischer Energie!)

    Erzeugung aus potentieller Energie:

      Nicht direkt möglich!

    Erzeugung aus chemischer Energie

      Die ist für bestimmte elektrochemische Reaktionen sehr gut möglich. Zu denken ist an die Batterie oder die vielversprechende Brennstoffzelle.

    Meist ist eine direkte Wandlung in elektrische Energie nicht möglich. Man wandelt also indirekt, wie am Beispiel Kohlekraftwerk gezeigt wird:

    1. Kohle wird verbrannt und damit Wasser verdampft - chemische Energie in thermische Energie
    2. Der Wasserdampf treibt eine Turbine an - thermische Energie in mechanische Energie
    3. Die Turbine ist mit einem Generator verbunden - mechanische Energie in elektrische Energie

    Alle diese Wandlungen sind mit Verlusten behaftet, großtechnisch aber durchaus vorteilhaft, wenn man einmal von der Verbrennung von fossilen Brennstoffen absieht.

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