Allgemeine Energietechnik – Energieumwandlung
Energiewandler und Wirkungsgrad
Die Energie tritt in unterschiedlichen Erscheinungsformen auf. Mit Hilfe von Energiewandlern lässt sie sich von einer Erscheinungsform in eine andere umwandeln. Generatoren, Motoren, Elektroherde usw. sind also streng genommen Energiewandler und keine Energieerzeuger bzw. Energieverbraucher, wie sie in der Umgangssprache manchmal bezeichnet werden.
| mechanisch | elektrisch | thermisch | |
| mechanisch | Flaschenzug | Generator | Bremsen |
| elektrisch | Elektromotor | Transformator | Tauchsieder |
| chemisch | Muskel | Batterie | Gasbrenner |
| thermisch | Dampfturbine | Thermoelement | Wärmetauscher |
Zwar bleibt nach dem Energieerhaltungssatz bei einer Energiewandlung die Gesamtenergie konstant, jedoch ist es das technische Ziel der Umwandlung, eine ganz bestimmte Energieform, z.B. elektrische Energie, zu erhalten. Gewissermaßen als Nebeneffekt der Umwandlung entstehen praktisch auch immer andere, mit der Wandlung nicht beabsichtigte Energieformen, insbesondere Wärmeenergie, beispielsweise durch Reibung. Diese nicht gewünschten Energieanteile bezeichnet man in der Technik als Verluste. Als Gütemaß für eine Energiewandlung definiert man den Wirkungsgrad (Eta) als Quotient von abgegebener Energie Eab zu zugeführter Energie Ezu:
Energieflussbild eines Energiewandlers
Formel zur Berechnung des Wirkungsgrades
Da stets Eab < Ezu, ist eine dimensionslose Zahl kleiner als 1;
= 1 ist der theoretische Grenzfall, dem manche reale Energiewandler recht nahe kommen. Häufig gibt man den Wirkungsgrad in Prozent an, dann ist der mit obiger Formel berechnete Zahlenwert noch mit 100% zu multiplizieren. Ein Wirkungsgrad von 0,6 bzw. 60% bedeutet, dass die dem Energiewandler zugeführte Energie zu 60% in die gewünschte Energieform umgewandelt wird und 40% Verluste auftreten.
In nebenstehender Abbildung sind typische Wirkungsgrade einiger Energiewandler eingetragen.
Energiewandlungskette
In der Regel sind bei den technischen Energieversorgungs- systemen mehrere Energieumwandlungen hintereinander erforderlich. Auf diese Weise entsteht eine Energiewandlungs- kette.
Die nachfolgende Abbildung zeigt die wichtigsten Wandlungen bei der Stromerzeugung in einem Kohlekraftwerk.
Bei der oben dargestellten Energiewandlungskette wird zunächst die chemische Energie der Kohle mit Hilfe des Energiewandlers Feuerung und Kessel in Wärmeenergie des Wasserdampfes umgewandelt. Der nächste Energiewandler, die Dampfturbine, wandelt diese thermische Energie in kinetische Energie der rotierenden Welle der Turbine um. An die Turbinenwelle ist der Generator angekoppelt, der schließlich die kinetische Energie der sich drehenden Welle in elektrische Energie umwandelt.
Daraus berechnet sich der Gesamtwirkungsgrad einer Kette als das Produkt aus den Einzelwirkungsgraden. Als Formel:
=
1 ·
2 ·
3 · …
Dies bedeutet, da jeder Einzelwirkungsgrad < 1 ist, dass der Gesamtwirkungsgrad kleiner als der kleinste Einzelwirkungsgrad ist. Für die oben dargestellte Energiewandlungskette eines Kohlekraftwerks ergibt sich mit den Einzelwirkungsgraden 1 = 0,85 (Kessel und Feuerung),
2 = 0,45 (Dampfturbine) und
3 = 0,98 (Generator) ein Gesamtwirkungsgrad von
= 0,37. Das heißt aber, dass bei 100 Tonnen verfeuerter Kohle nur 37 Tonnen in Form von elektrischem Strom das Kraftwerk verlassen. Der Energieinhalt von 73 Tonnen Kohle geht bei der Umwandlung „verloren“