Kurs: Grundlagen und Perspektiven der Energiewende | OnCourse UB

  • Lektion 3

    • Umwandlung von Energie

      Es wurde bereits aufgezeigt, dass Energie zwischen den verschiedenen Formen umgewandelt werden kann. Hierbei gilt, dass bei einer Umwandlung von Energie keine zusätzliche Energie entsteht.
      Der Professor in diesem Video illustriert das hier am Beispiel einer Metallkugel, die an einem Seil hängt.

      Energieumwandlung

      Im folgenden Video wird noch einmal bildlich erläutert, wie Energieumwandlung aussehen kann:

      (Beachten Sie: Mit dem Abspielen des Links werden Sie auf YouTube weitergeleitet, Sie stimmen damit den Datennutzungen dieses Unternehmens zu. Die Nutzung des Links ist freiwillig.)

      Die Energie der Kugel wird zwischen den Formen potentielle Energie und kinetische Energie umgewandelt. Wenn der Professor die Kugel schwingen lässt, hat sie bis zum Moment des Loslassens potentielle Energie. Wenn sie sich dann bewegt, wird die potentielle Energie in kinetische Energie umgewandelt. Am Wendepunkt wird die kinetische Energie kurz wieder in potentielle Energie umgewandelt usw. Man beachte, dass die Kugel nach dem Loslassen nicht an denselben Punkt zurückkehrt. Das liegt daran, dass die Umwandlung von Energie nie vollständig ist. Ein Teil der Energie geht bei den Umwandlungen in andere Energieformen über. In den meisten Fällen ist dies die Energieform Wärme. Bei dem Pendel entsteht Reibung an der Umgebungsluft, die Wärme erzeugt.

      Prinzipiell sind alle Energieformen in einander umwandelbar. Die verschiedenen Formen, die hier dargestellt sind (Strahlungsenergie fehlt hier), sind im äußeren Kreis willkürlich angeordnet. Allerdings haben manche Umwandlungen eine größere Bedeutung, treten häufiger auf und werden auch technisch genutzt. Der Wärmenergie kommt bei der Umwandlung von Energie aber eine besondere Rolle zu. 


      Wärme ist Energie, die zwischen Systemen aufgrund von Temperaturunterschieden fließt. Für sie wurden in den zwei Hauptsätzen der Thermodynamik wichtige Gesetzmäßigkeiten festgehalten. Dabei kennen wir den ersten Hauptsatz schon als Energieerhaltungssatz:

      1. Hauptsatz der Thermodynamik:

      • Energie kann umgewandelt und transpostiert werden.
      • Energie kann nicht vernichtet oder aus dem Nichts erzeugt werden.

      Der Zweite Hauptsatz hat aber eine wichtige spezifische Aussage zur Wärmeenergie.

      2. Hauptsatz der Thermodynamik:

      • Wärme kann nur von einem wärmeren zu einem (im Verhältnis) kälteren System fließen.
      • Anergie = Wärme, die nicht umgewandelt werden kann.
      • Exergie = Wärme die in andere Energie umgewandelt oder in ein anderes System fließen kann.
      • Exergie ergibt sich aus der Temperaturdifferenz der Systeme.

      Wärmeenergie kann also nur unter bestimmten Bedingungen umgewandelt werden.


    • Energieumwandlungen in der Natur



      Photosynthese
      Der zweite bedeutsame Prozess ist die Photosynthese, bei der ein bestimmter Teil der Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt wird. Bei der Umwandlung zwischen chemischer Energie und anderen Energieformen sind immer sogenannte Redoxreaktionen beteiligt.

      Redoxreaktion

      Bei Redoxreaktionen werden Elektronen zwischen den beteiligten Verbindungen übertragen. Die Aufnahme von Elektronen wird als Reduktion, die Abgabe von Elektronen als Oxidation bezeichnet.

      Die Photosynthese ist ein Prozess, der ausschließlich in Lebewesen, genauer Pflanzen, Algen und manchen Mikroorganismen stattfindet und bei dem der Transport von Elektronen eine wesentliche Rolle spielt. Sie läuft in zwei sehr komplexen Teilprozessen ab: der Lichtreaktion und dem Calvinzyklus.

      Lichtreaktion
      Die Lichtreaktion beschreibt die Umwandlung der Lichtenergie in chemische Energie. Die chemische Energie liegt dabei am Ende in Form der Moleküle Adenosintriphosphat (ATP) und Nicotinamidadenindinukleotidphosphat (NADPH) vor.
    • Calvinzyklus
      Im Calvinzyklus (oder auch Dunkelreaktion genannt) werden dann die Elektronen die im NADPH vorliegen und die Energie aus dem ATP genutzt, um energiearmes CO2 zu binden und daraus energiereichen Zucker (Glucose) zu synthetisieren. Dieser Zucker ist der Ausgangspunkt für den weiteren Energiefluss in allen Lebewesen.






      Das Binden von Energie und Kohlenstoff wird in der Ökologie auch als Primärproduktion bezeichnet und die Organismen, die sie durchführen als Primärproduzenten. Die Lebewesen, die Primärproduzenten fressen, nennt man Primärkonsumenten, sie sind Teile einer Nahrungskette in der Energie und Nährstoffe zwischen den Organismen weitergegeben werden. Konsumenten wandeln die chemisch gebundene Energie aus den Primärproduzenten wieder in ATP um, das sie beispielsweise in den Muskeln nutzen um sich fortzubewegen. 

      Die verschiedenen Konsumenten führen einen Prozess durch der als Gegenstück zur Photosynthese gilt, die aerobe Atmung. Dabei wird die Glucose schrittweise zu CO2 abgebaut, dabei werden Elektronen frei die über eine Elektronentransportkette auf Sauerstoff übertragen werden, wobei Wasser entsteht. Der Sauerstoff wird hierbei auch als terminaler Elektronenakzeptor bezeichnet. Der Elektronenfluss wird wieder genutzt um einen Protonengradient aufzubauen. Dieser Protonengradient wird wie bei der Photosynthese genutzt um mit der ATPase ATP zu generieren. In den Lebewesen finden also viele Umwandlungen von chemischer Energie in andere Formen chemischer Energie statt. Die Umwandlung ist dabei nie vollständig, bei jeder Umwandlung wird auch Wärme freigesetzt.

      In der Vergangenheit kam es vor, dass große Mengen Biomasse auf der Erdoberfläche abstarben und nicht zu CO2 zersetzt wurden. Diese wurden durch einen Prozess, der als Inkohlung bezeichnet wird, zu den heutigen fossilen Energieträgern. Zuerst entstand Torf, der auch heute unter Mooren gefunden wird und unter sauerstoffarmen und nährstoffarmen Bedingungen an mit Wasser überschichteten Orten entsteht. Über lange Zeiträume wird der durch Ablagerungen und Wasser bedeckt, dabei wirken Druck und erhöhte Temperaturen auf das organische Material, welches komprimiert und sich chemisch verändert. Gase und Wasser werden abgeschieden. Über Millionen von Jahren bildeten sich aus dieser Biomasse, die chemische Energie enthält, dann Kohle, Erdöl und Erdgas. Wobei Kohle durch das Absterben von Wäldern an Land und Erdöl und Erdgas durch das Absterben von Phytoplankton (Algen und Bakterien, die Photsynthese betreiben) in Meeren entstanden.

    • Der Wirkungsgrad von Energieumwandlungen
      Wie schon aufgeführt, ist keine Energieumwandung vollständig. Jedoch unterscheiden sich die verschiedenen natürlichen und technischen Energieumwandlungen darin, welcher Anteil der Ursprungsenergie in der Zielenergie erhalten bleibt.


      Als Zielenergie (nutzbare Energie) bezeichnen wir dabei die Energieform, die der Prozess primär generiert, also bei der Photosynthese die chemische Energie und bei einem Motor die kinetische Energie. Den Quotienten aus Zielenergie und eingesetzter Energie bezeichnet man als Wirkungsgrad:

      Der Wirkungsgrad (η – gr. eta) nimmt Werte zwischen 0 und 1 an und kann auch mit 100 multipliziert werden und in Prozent ausgedrückt werden.

      Hier die Wirkungsgrade verschiedener Prozesse:

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