Energieumwandlung

Abfolge der Energieumwandlung in einer Anlage

$Energieumwandlung$ bedeutet, dass Energie von einer Form in eine andere übergeht. Energie kann zwischen einem Gerät und seiner Umgebung übertragen werden, aber die gesamte Energiemenge bleibt erhalten.

Wenn du eine Taschenlampe einschaltest, wird chemische Energie in der Batterie in elektrische Energie umgewandelt und zur Lampe übertragen. Die Lampe erzeugt $das benötigte Licht$ und erwärmt zugleich Teile der Taschenlampe und die Umgebung. Auch diese Erwärmung gehört zur Energiebilanz, obwohl du mit der Taschenlampe den Raum beleuchten möchtest.

Umwandlungspfade in Kraftwerken

Das Diagramm zeigt, in welchen Formen verschiedene Quellen Energie bereitstellen und wie Anlagen sie zur Nutzung umwandeln.

Kraftwerke wandeln Energie stufenweise um

Bei der Wasserkraft strömt Wasser durch eine Druckrohrleitung und dreht die Turbinenschaufeln. Die Turbine treibt einen $Generator an, der Strom erzeugt$ .

Bei der Windkraft setzt der Wind die Rotorblätter in Bewegung. Der Rotor treibt einen Generator an, der Strom erzeugt.

Energieumwandlung in einer Windkraftanlage

Verändere die Windgeschwindigkeit, beobachte die Drehung des Rotors und untersuche, wie die kinetische Energie der Luft in elektrische Energie umgewandelt wird.

Windgeschwindigkeit

7\ \text{m/s}

Umwandlungskette: Wind dreht den Rotor, der Rotor treibt den Generator an und elektrische Energie wird abgegeben.
Physikalische Bedeutung: Eine höhere Windgeschwindigkeit kann den Rotor beschleunigen. Turbinenleistung, Steuerung und Standortbedingungen begrenzen weiterhin die abgegebene Leistung.

In einem Photovoltaikmodul wandeln Solarzellen Sonnenlicht direkt in Strom um. Nur die vom Halbleitermaterial absorbierten Photonen tragen Energie zur Stromerzeugung bei.

Technologie	Hauptumwandlungskette	Häufige Energieabgabe an die Umgebung
Wasserkraftwerk	potenzielle Energie des Wassers → kinetische Energie des Wassers → Turbine → Generator → Strom	Reibungswärme an der Welle, Schall, Vibration
Windkraftanlage	kinetische Energie des Windes → Turbine → Generator → Strom	Schall, Vibration, Bauteilwärme
Photovoltaik-Solarpanel	Sonneneinstrahlung → Strom	reflektiertes Licht und Wärme
Biomasse	chemische Energie → Verbrennung → Wärme → Turbine → Generator → Strom	Abwärme, Abgase, Schall
Biogas	chemische Energie → Verbrennung in Motor oder Turbine → Drehbewegung der Welle → Generator → Strom	Abwärme, Abgase, Schall
Geothermie	Wärmeenergie des Reservoirs → strömender Dampf oder Arbeitsstoff → Turbine → Generator → Strom	Abwärme und Reibungsverluste im System

Bioenergietechnologien wandeln Biomasse durch Verbrennung, bakteriellen Abbau oder die Umwandlung in gasförmige und flüssige Brennstoffe in Wärme und Strom um.

Geothermiekraftwerke nutzen heiße Flüssigkeiten oder Dampf aus dem Untergrund, um Turbinen anzutreiben und Strom zu erzeugen.

Der Wirkungsgrad zeigt den nutzbaren Anteil

Da nicht die gesamte zugeführte Energie zur gewünschten Nutzenergie wird, verwenden wir den $Wirkungsgrad$ . Er vergleicht Nutzenergie und zugeführte Energie.

\eta=\frac{E_{\text{nützlich}}}{E_{\text{zugeführt}}}\times 100\%

Symbolanleitung:

Symbol	Bedeutung
$\eta$	Wirkungsgrad
$E_{\text{nützlich}}$	Energie, die als gewünschte Nutzenergie abgegeben wird
$E_{\text{zugeführt}}$	dem Gerät zugeführte Energie

Während der folgenden Messung bleibt die $im Modul gespeicherte Energie unverändert$ . Angenommen, ein Solarmodul empfängt $800 \text{ J}$ Strahlungsenergie und gibt $160 \text{ J}$ elektrische Energie ab. Sein Wirkungsgrad beträgt:

\begin{aligned} \eta &= \frac{E_{\text{nützlich}}}{E_{\text{zugeführt}}}\times 100\% \\ &= \frac{160 \text{ J}}{800 \text{ J}}\times 100\% \\ &= 20\% \end{aligned}

Die Energie, die nicht in nutzbaren Strom umgewandelt wird, ist:

\begin{aligned} E_{\text{Umgebung}} &= E_{\text{zugeführt}}-E_{\text{nützlich}} \\ &= 800 \text{ J}-160 \text{ J} \\ &= 640 \text{ J} \end{aligned}

Ein Wirkungsgrad von $20\%$ bedeutet nicht, dass die übrigen $80\%$ verschwinden. Die übrigen $80\%$ werden an die Umgebung übertragen, zum Beispiel durch Erwärmung sowie reflektierte oder durchgelassene Strahlung.

Der Wirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der zugeführten Energie von einem Gerät in Nutzenergie umgewandelt wird.

Umwandlungspfade verschiedener Anlagen vergleichen

Solarmodule, Windkraftanlagen, Generatoren und Biogasreaktoren wandeln vorhandene Energie von einer Form in eine andere um. $Am Gerätenamen allein lässt sich noch nicht erkennen$ , welche Energiequelle genutzt wird, welche Umwandlungen stattfinden, welche Nutzenergie entsteht und welche Energie an die Umgebung abgegeben wird.

Wenn diese Technik genannt wird	Dann ist zu fragen
Solarpanel	Wie viel Strahlungsenergie wird zu Strom?
Windkraftanlage	Ist der Wind schnell genug, um den Rotor zu drehen?
Wasserkraftwerk	Wie groß sind der Wasserdurchfluss und der Höhenunterschied?
Biomasse	Ist der Rohstoff ausreichend und wird nachhaltig bewirtschaftet?
Geothermiekraftwerk	Bietet der Standort ausreichend Wärme im Untergrund, Fluide und Strömung für die Stromerzeugung?

Die Umwandlungskette nennt Quelle, anfängliche Energieform, Ausgangsform, Nutzenergie und Energieabgabe an die Umgebung.