Allgemeine Energietechnik – Energieformen

Erscheinungsformen der Energie

Genau zu definieren, was Energie eigentlich ist, fällt wie bei anderen physikalischen Größen wie Zeit oder Masse schwer. Deshalb wird zunächst einfach angegeben, in welchen Formen Energie auftritt. Die wichtigsten Erscheinungsformen der Energie, die in der Technik eine Rolle spielen, sind in der folgenden Übersicht dargestellt.

Energieformen

Energie kommt in sechs unterschiedlichen Formen vor:

speicherbare Energieformen                                                                            nicht speicherbarEnergieformen

mechanische Energie chemische Energie Wärmeenergie: Kernenergie Elektrische Energie Strahlungsenergie Lageenergie (potentielle Energie) z.B. Stausee: Epot = m * g * h fossile Energie, z.B. Kohle z.B. Computer: z.B. Licht, Infrarot, UV Bewegungsenergie (kinetische Energie) z.B. Auto: Ekin = ½ * m * v² Elektrolyse z.B. 2 H2O 2H2 + O2 Wärmeleitung (Molekülbewegung, Teelöffel) W = P * t P = U * I R = U / I Wärmestrahlung (Ofen, elektromag-netische Welle) Spannungsenergie z.B. Feder Espan = ½ * D * s² Akkumulator Wärmeströmung (Konvektion, Heizung ohne Pumpe, Schornstein) U: Spannung in V (Volt) I: Stromstärke in A (Ampere) R: Widerstand in  (Ohm) Q = m * c * T mit c: spezifische Wärmekapazität in kJ / (kg K)

Energieerhaltung

Im Prinzip können die verschiedenen Erscheinungsformen der Energie ineinander umgewandelt werden. Diese Energieumwandlungen unterliegen gewissen naturgesetzlichen Einschränkungen, auf die noch eingegangen wird. Einer der zentralen Sätze der Physik ist der Energieerhaltungssatz. Diese aus der Erfahrung gewonnene Aussage besagt, dass die Menge der Energie, über alle Energieformen hinweg, immer gleich groß ist.

Nach dem Energieerhaltungssatz kann Energie weder erzeugt noch vernichtet, sondern lediglich von einer Form in eine andere umgewandelt werden.

Der Energieerhaltungssatz scheint der Alltagserfahrung zu widersprechen: Schließlich müssen wir für Energie bezahlen, obwohl sie nach dem Energieerhaltungssatz nicht vernichtet bzw. verbraucht werden kann! Alle sprechen vom Energieverbrauch, sei es der vom Auto, vom Kühlschrank oder der Deutschlands. Wozu braucht man Kraftwerke, wenn ohnehin keine Energie erzeugt werden kann? Wieso kann Energie knapp sein? Wenn sie weder erzeugt noch vernichtet werden kann, muss sie doch in immer gleicher Menge zur Verfügung stehen.

Der Energieerhaltungssatz steht nur scheinbar im Widerspruch zu den oben genannten Fragen. Zwar wird Energie tatsächlich nicht verbraucht, sie wird aber entwertet. Wird 1 kWh elektrische Energie aus dem Stromversorgungsnetz bezogen und wird diese mit dem Elektroherd in Wärmeenergie umgewandelt, so erhält man genau 1 kWh Wärmeenergie, womit man Speisen zubereiten kann. Diese Wärmeenergie verflüchtigt sich letztlich an die Umgebung und kann nicht mehr zurückgeholt werden. Es findet eine Energieentwertung statt: Aus der 1 kWh hochwertiger elektrischer Energie wurde 1 kWh niederwertiger Umgebungsenergie, mit der in Zukunft keine Speisen mehr zubereitet werden können. Ein Vergleich zur Wasserversorgung eines Haushalts liegt nahe: Wird ein Liter Frischwasser aus der Wasserleitung bezogen, so wird später ein Liter Schmutzwasser über den Kanal abgegeben. Die Wasserbilanz ist also Null, jedoch hat das abgegebene Schmutzwasser eine andere, niedrigere Qualität als das erhaltene Frischwasser.

Energieverbrauch bedeutet also letztlich die Umwandlung hochwertiger Energieformen in niederwertige. Mit Energieerzeugung ist das Verfügbarmachen hochwertiger Energieformen gemeint. Die niederwertige Energieform ist Wärmeenergie, ihr Wert ist umso geringer, je weniger sich ihre Temperatur von der Umgebungstemperatur unterscheidet.