Grundlagen: Energiespiel Bayern
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Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie Startseite Stromversorgung Grundlagen Videos GRUNDLAGEN Im Energiespiel Bayern dreht sich alles um Strom und Energie. An dieser Stelle erklären wir Dir einige Grundbegriffe: Was ist eigentlich Energie? Und was ist Strom? Sind Strom und elektrische Energie dasselbe? Was unterscheidet Spannung von Stromstärke und in welchen Einheiten wird das alles gemessen? Energiewende, geht doch! Interessant ist auch das „Perpetuum Mobile”, eine Maschine, die Wissenschaftler über Jahrhunderte fasziniert hat. Dieser „Ewige Beweger” arbeitet unaufhörlich ohne Zufuhr von äußerer Energie. Eine solche Maschine kann es nicht geben. Warum das so ist, erklären einige Naturgesetze im Bereich der Energie. Energie und Erscheinungsformen Energie kommt aus dem Griechischen („energeia”) und bedeutet „inneres Wirken”. Damit wird eine grundlegende physikalische Größe bezeichnet, die innerhalb eines geschlossenen Systems weder gemindert noch vermehrt werden kann, sondern immer erhalten bleibt. Allerdings wandelt sich Energie und hat zahlreiche verschiedene Erscheinungsformen: potenzielle Energie („Lageenergie”): zum Beispiel Wasser in einem Stausee chemische Energie: zum Beispiel in einem Brennstoff wie Kohle kinetische Energie („Bewegungsenergie”): zum Beispiel eine rotierende Turbine thermische Energie: zum Beispiel Wärme in einem Heizkraftwerk elektrische Energie: zum Beispiel Strom in einer Batterie magnetische Energie: zum Beispiel die Spitze eines Akku-Schraubers Strahlungsenergie: zum Beispiel das Licht einer LEDLampe Aus der speziellen Relativitätstheorie (E = m x c2) von Albert Einstein folgt unmittelbar, dass auch Materie eine Erscheinungsform von Energie ist. Hierauf basiert zum Beispiel die Kernenergienutzung. Die physikalische Einheit für Energie ist Joule. Insbesondere bei 07.04.2017 1/5 Grundlagen elektrischer Energie ist auch die Kilowattstunde (kWh) eine gebräuchliche Einheit. Eine kWh entspricht 3,6 Millionen Joule. Die drei Hauptsätze der Thermodynamik beschreiben wesentliche Eigenschaften von Energie. Verstöße gegen die Hauptsätze der Thermodynamik führen zu verschiedenen irrealen Konzepten eines „Perpetuum Mobiles”: Der erste Hauptsatz der Thermodynamik wird auch „Energieerhaltungssatz” genannt. Er verweist darauf, dass Energie weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur in andere Energieformen umgewandelt werden kann. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik behandelt die Wandelbarkeit der Energie von einer Form in die andere. Er besagt, dass thermische Energie nicht beliebig in andere Energieformen umgewandelt werden kann. Das bedeutet zum Beispiel, dass sich Wärme nicht vollständig in elektrische Arbeit überführen lässt. Bei der Umwandlung treten immer Verluste auf. Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik erklärt, warum der absolute Nullpunkt der Temperatur, Null Kelvin oder minus 273 C°, nicht erreicht werden kann. Energie und Stromerzeugung Kraftwerke wandeln Energieformen in elektrische Energie um. Hierbei sind oft mehrere Wandlungsschritte nacheinander notwendig. In einem Kohlekraftwerk etwa wird die chemische Energie des Ausgangsstoffes Kohle in Wärmeenergie umgewandelt, indem Kohle verbrannt wird. Die thermische Energie wird zu kinetischer Energie, indem Wasser erhitzt und als Antrieb für eine Dampfturbine genutzt wird. Die kinetische Energie der Dampfturbine wird schließlich im Generator in elektrische Energie gewandelt. Somit finden in einem Kohlekraftwerk zahlreiche Energiewandlungsprozess hintereinander statt. Auf diesem Prinzip basieren die meisten thermischen Kraftwerkstypen. Auch Kernkraftwerke sind thermische Kraftwerke. Im Wesentlichen finden die eben genannten Umwandlungsschritten auch dort statt. Allerdings wird hier nicht Kohle verbrannt, sondern ein kleiner Teil der Materie, beispielsweise Uran, zur Gewinnung thermischer Energie genutzt. Aus dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik folgt, dass die Umwandlung thermischer Energie in andere Energieformen nicht vollständig geschehen kann. Die Höhe der Verluste, physikalisch ausgedrückt die Zunahme der Entropie, ist abhängig von den beteiligten Energieformen und den Prozessparametern. Andere Energieformen, wie etwa elektrische und mechanische Energie, können hingegen vergleichsweise verlustarm ineinander umgewandelt werden. Neben thermischen 07.04.2017 2/5 Grundlagen Kraftwerken gibt es auch andere Kraftwerkskonzepte, beispielsweise Wasserkraftwerke oder Windkraftanlagen, die mechanische Energie in elektrische Energie überführen. Perpetuum Mobile Gäbe es ein Perpetuum Mobile, wären die Energieprobleme der Menschheit im Grunde gelöst. Ein Blick auf dieses irreale Konzept, das die Wissenschaft viele Jahrhunderte beschäftigt hat, kann noch heute helfen, die Ökonomie der Energieerzeugung und Energiewandlung und ihre Grenzen besser zu verstehen. Ein Perpetuum Mobile heißt wörtlich „ein sich ewig Bewegendes“. Es bezeichnet die alte Vorstellung einer Maschine, die unaufhörlich in Bewegung ist, also arbeitet oder Energie freisetzt, ohne dass ihr Energie zugeführt werden muss. Eine solche Maschine ist nach den Gesetzen der Thermodynamik nicht möglich. Entwürfe von Perpetuum Mobiles hat es historisch in großer Vielfalt gegeben. Aber schon Leonardo da Vinci (1452-1519) äußerte die Vermutung, dass ein mechanisches Perpetuum Mobile nicht existieren kann. Die Frage der Unmöglichkeit mechanischer Perpetuum Mobiles gilt seit Isaac Newton (1642-1727) und Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716) als wissenschaftlich geklärt. Arten von Perpetuum Mobiles werden heute danach klassifiziert, welchen Hauptsatz der Thermodynamik sie verletzen. Ein Perpetuum Mobile erster Art verletzt den ersten Hauptsatz der Thermodynamik, den Energieerhaltungssatz, da sie Energie aus nichts erzeugt. Hierunter fallen alle Maschinen, deren Energiehaushalt zyklisch konzipiert ist. Das heißt, die die Energie für ihren Antrieb selbst erzeugen. Beispiel wäre etwa ein Rad mit angeschlossenem Generator, das durch seine Drehung Strom erzeugt, der wiederum die weitere, gleich bleibende Drehung des Rades ermöglicht. Ein Perpetuum Mobile zweiter Art beruht darauf, aus dem Reservoir umgebender Wärme mechanische Energie zu erzeugen, ohne dass dabei in der Umgebung bleibende Veränderungen entstehen. Dieses Konzept verstößt gegen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, den Entropiesatz. Denn es würde ständig die Entropie eines abgeschlossenen Systems mindern. Beispiel wäre ein Schiff, das seine Antriebsenergie allein aus der Wärme des umgebenden Wassers erzeugt. Die Bezeichnung Perpetuum Mobile dritter Art wird unterschiedlich verwendet. Gemeinsam ist auch diesen Maschinenentwürfen, dass irreale Bedingungen wie eine Temperatur von 0 Kelvin („absoluter Nullpunkt”) oder das vollkommene Fehlen von Reibung ihren Funktionsbedingungen zugrunde gelegt werden müssen. Da diese Bedingungen lediglich näherungsweise, aber eben nie ganz erreicht werden können, können Perpetuum Mobiles dritter Art auch nicht existieren. Beispiel für ein lang anhaltendes, nahezu reibungslo07.04.2017 3/5 Grundlagen ses System ist der Umlauf der Planeten in unserem Sonnensystem. Strom Elektrischer Strom, Stromstärke, Stromspannung Eine gerichtete Bewegung von geladenen Teilchen, also Ionen oder Elektronen, nennt man „elektrischen Strom”. Der Begriff Elektrizität leitet sich vom griechischen „Elektron” ab, der Bezeichnung für Bernstein. An ihm wurde erstmals elektrische Energie beobachtet. Ein „Elektron” ist ein negativ geladenes Teilchen, ein „Proton” ein positives. Atome bestehen aus Protonen und ladungsneutralen Neutronen, die zusammen den Atomkern bilden, welcher von einer Hülle aus Elektronen umgeben ist. Hat ein Atom oder ein aus Atomen zusammengesetztes Molekül mehr Elektronen als Protonen oder umgekehrt, dann ist es elektrisch geladen (negativ beziehungsweise positiv) und wird als „Ion” bezeichnet. Eine elektrische Spannung ist Voraussetzung, dass überhaupt Strom fließen kann. Eine Spannung, zum Beispiel zwischen einem Plus- und einem Minuspol, kann aber auch bestehen, ohne dass Strom fließt. Sie bezeichnet physikalisch die Möglichkeit einer Ladung, elektrische Arbeit zu verrichten. Die Einheit der elektrischen Spannung (U) ist Volt (V). Die Stromstärke (I) bezeichnet die Menge der elektrischen Ladungen, die je Zeiteinheit fließt. Ihre Einheit ist Ampère (A). Spannung und Stromstärke verhalten sich proportional zueinander. Der zugehörige Faktor wird als elektrischer Widerstand (R) bezeichnet. Seine Einheit ist Ohm (Ω). Formal lässt sich dieser Zusammenhang wie folgt beschreiben: U (Spannung) = I (Stromstärke) x R (elektrischer Widerstand) Zur Veranschaulichung könnte man elektrischen Strom mit Wasser in einem Gartenschlauch vergleichen. Der Druckunterschied zwischen den Schlauchenden entspricht in diesem Vergleich der Spannung, die Menge des fließenden Wassers wäre die Stromstärke. Gleichstrom und Wechselstrom In der technischen Nutzung von Strom wird zwischen Gleichstrom und Wechselstrom unterschieden. Bei Gleichstrom ist die Richtung des Stromflusses konstant. Wechselstrom wechselt beständig die Richtung des Stromflusses. Er eignet sich daher für die Umwandlung zwischen verschiedenen Spannungen mittels Transformatoren. Hohe Spannungen sind die Basis für einen verlustarmen Stromtransport über größere Entfernungen. Deshalb setzte sich mehrphasiger Wechselstrom („Drehstrom”) zu Beginn der Elektrifizierung und beim Aufbau des elektrischen Netzes rasch durch. 07.04.2017 4/5 Grundlagen Elektrische Energie Strom ist nicht identisch mit elektrischer Energie. Elektrische Energie bezeichnet die Arbeit, die mittels Elektrizität geleistet werden kann. Die physikalische Einheit für Energie, auch für elektrische, ist Joule. Insbesondere bei elektrischer Energie, aber auch im Wärmebereich ist die Kilowattstunde (kWh) die gebräuchlichere Einheit. Eine kWh entspricht 3,6 Millionen Joule. Mit 1 kWh Strom kann man beispielsweise 7 Stunden Fernsehen (142 Watt-TV) oder 1 Stunde mit einem 1.000 W Dampfbügeleisen bügeln. Elektrische Energie errechnet sich nach der Formel: W (elektrische Energie)= U (Spannung) x I (Stromstärke x t Zeit) 07.04.2017 5/5 Grundlagen
