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Definition: Energie in hochwertiger Form, geeignet zum Leisten von mechanischer Arbeit
Im Folgenden soll zunächst erklärt werden, warum es sinnvoll ist, zusätzlich zum allseits bekannten Begriff der Energie noch den Begriff Exergie einzuführen. Energie kommt in verschiedenen Formen vor, die nur mit Einschränkungen ineinander umgewandelt werden können (→ Hauptsätze der Thermodynamik). Die “hochwertigsten” (am flexibelsten einsetzbaren) Energieformen sind die mechanische und die elektrische Energie. Sie können z. B. ohne weiteres vollständig in Wärme umgewandelt werden, während die Umwandlung von Wärme in mechanische oder elektrische Energie umso unvollständiger ist, je geringer die verfügbaren Temperaturgefälle sind. Verschiedene Energiearten können eine unterschiedliche “Qualität” aufweisen. Deswegen greift die alleinige Betrachtung von Energiemengen häufig zu kurz, während der Begriff der Exergie, der im Folgenden genauer erläutert wird, diesen Umständen Rechnung trägt.
Exergie von mechanischer, elektrischer und Wärmeenergie
Mechanische und elektrische Energie sind reine Exergie, während Wärmeenergie je nach Temperaturniveau nur zu einem kleineren oder größeren Teil als Exergie zählt. Diese Bewertung wird jeweils in Bezug auf ein Umgebungs-Temperaturniveau vorgenommen, welches z. B. der Temperatur der Außenluft oder der eines nahen Gewässers entsprechen kann:
- Hochtemperaturwärme bei Temperaturen weit oberhalb der Umgebungs-Temperatur lässt sich mit relativ gutem Wirkungsgrad mit Hilfe von geeigneten Wärmekraftmaschinen in mechanische Energie umwandeln. Der physikalisch maximal mögliche Wirkungsgrad dieser Umwandlung wird als Carnot-Wirkungsgrad bezeichnet. Die Menge der maximal entstehenden mechanischen Energie wird als die Exergie bezeichnet, die der jeweiligen Wärmemenge entspricht. Exergie kann man deswegen auch als den theoretisch “arbeitsfähigen” Teil der Energie ansehen.
- Niedertemperaturwärme, d. h. Wärme bei Temperaturen nahe der Umgebungstemperatur, weist nur einen geringen Exergie-Anteil auf, weil der Carnot-Wirkungsgrad klein wird. Man kann aus Abbildung 1 ablesen, dass z. B. Heizwärme bei 50 °C nur ca. 15 % Exergie enthält.
- Kälte, d. h. ein Reservoir mit einer Temperatur deutlich unterhalb der Umgebungs-Temperatur, enthält wiederum Exergie, weil eine Wärmekraftmaschine zwischen diesem Reservoir und der Umgebung mechanische Arbeit leisten könnte. Umgekehrt braucht eine Kältemaschine Exergie für ihren Antrieb.
Abbildung 1: Relativer Exergie-Gehalt von Wärme in Abhängigkeit von der Temperatur. Die Werte beziehen sich auf eine Umgebungstemperatur von 0 °C.
Keinerlei Exergie ist in der Umgebungswärme enthalten, die z. B. die Außenluft hat. Die Außenluft an einem kalten Wintertag kann zwar mit Hilfe einer Wärmepumpe abgekühlt werden, die diese Wärme auf höherem Temperaturniveau z. B. in eine Heizungsanlage einspeist. Dies ist jedoch nur möglich durch Zufuhr von Exergie zum Antrieb der Wärmepumpe. “Freiwillig” und kostenlos würde keine Wärme von der kalten Außenluft in ein zu beheizendes (und wärmeres) Haus fließen. Diese Wärme der Umgebung, die nur unter Aufwendung zusätzlicher Exergie zum Heizen nutzbar ist, wird auch als Anergie bezeichnet. Anergie ist gewissermaßen das Gegenteil von Exergie: Energie, die keinerlei Arbeit leisten kann. Man kann sie in der Regel gratis erhalten, braucht für ihre Nutzung aber meist zusätzliche Exergie.
Bei der Wärmeleitung von heißen zu kälteren Körpern geht zwar keine Energie verloren, jedoch nimmt die Exergie ab, da Wärme auf ein niedrigeres Temperaturniveau gebracht wird.
Exergie anderer Energieformen
Chemische Energie, enthalten z. B. in Brennstoffen und Kraftstoffen, ist zum größten Teil Exergie, weil sie bei Bedarf in Wärme auf sehr hohem Temperaturniveau umgewandelt werden kann. Jedoch erzeugt z. B. Heizöl bei der Verbrennung in einem Heizkessel meist nur Niedertemperaturwärme. Selbst wenn die Wärmegewinnung fast verlustfrei ist, d. h. die gewonnene Wärmemenge fast gleich hoch ist wie die eingesetzte chemischer Energie, verliert man im Heizkessel den Großteil der Exergie.
Ähnliches wie für chemische Energie gilt für nukleare Energie in Kernbrennstoffen wie Uran.
Sichtbares Licht hat einen hohen Exergie-Anteil; seine Energie könnte im Prinzip mit Hilfe von Photovoltaik mit sehr hohem Wirkungsgrad in elektrische Energie umgewandelt werden – obwohl die tatsächlichen Wirkungsgrade bei der Photovoltaik bisher häufig nicht sehr hoch sind. Infrarotlicht (unsichtbares Licht mit längeren Wellenlängen, Wärmestrahlung) weist einen geringeren Exergieanteil auf.
Auch Konzentrationsunterschiede beinhalten Exergie. Wenn beispielsweise Süßwasser eines Flusses in das Meer fließt, welches einen weitaus höheren Salzgehalt hat, lässt sich Exergie über Osmose-Prozesse nutzen. Zukünftig könnten an Flussmündungen unter Umständen Osmose-Kraftwerke dieses Potenzial nutzen.
Zusammenhang von Exergie mit Entropie
Exergie lässt sich auch verstehen als entropielose Energie. Die Entropie eines Systems wird also nicht vermindert durch die Abgabe von reiner Exergie, anders als bei der Abgabe von Wärme. (Die Abgabe einer Wärmemenge Q bei der Temperatur T führt zu einer Entropieabnahme um Q / T.) Deswegen ist beispielsweise die Umwandlung reiner Exergie in Wärme physikalisch immer möglich, selbst auf sehr hohem Temperaturniveau. Dagegen kann selbst Wärme bei sehr hoher Temperatur nicht vollständig in reine Exergie umgewandelt werden, weil dies zu einer Abnahme der gesamten Entropie führen würde, was physikalisch grundsätzlich unmöglich ist.
Prozesse, bei denen viel Exergie verloren geht, sind typischerweise solche, bei denen die Gesamtentropie stark zunimmt. Es handelt sich also um stark irreversible Prozesse, die häufig auch die Energieeffizienz beeinträchtigen (siehe unten).
Ökonomischer Wert von Exergie und Anergie
Verkauft werden kann nur Exergie, nicht aber Anergie, denn nur Exergie eröffnet viele Möglichkeiten der Nutzung, während Anergie in fast beliebigen Mengen in der Umgebung verfügbar ist, jedoch ohne Exergie nicht genutzt werden kann. Vor diesem Hintergrund sollte z. B. eine Stromrechnung als Rechnung für Exergie, nicht für Energie betrachtet werden. Ebenfalls wird klar, warum Niedertemperaturwärme auch ökonomisch einen geringeren Wert pro Kilowattstunde aufweist als elektrische Energie. Im folgenden Abschnitt wird gezeigt, dass der effiziente Umgang mit Exergie geboten ist – gerade auch im Zusammenhang mit Energieeffizienz.
Zusammenhang von Exergie und Energieeffizienz
Exergie ist anders als Energie keine Erhaltungsgröße: Sie geht bei vielen Prozessen verloren, kann dagegen nie zunehmen, außer durch Zufuhr von außen.
Besonders viel Exergie geht verloren, wenn Niedertemperaturwärme aus elektrischer Energie in einer Elektroheizung oder aus chemischer Energie in einem Heizkessel erzeugt wird (siehe oben). Dies hat häufig Auswirkungen auf die Energieeffizienz des Gesamtsystems, selbst wenn bei der jeweiligen Energieumwandlung kaum Energie verloren geht. Zum effizientesten Gesamtsystem kommt man häufig, indem man die Verluste von Exergie (und nicht nur von Energie) bei jedem Schritt so klein wie möglich hält. Mit anderen Worten ausgedrückt sollte bei jedem Schritt ein möglichst hoher exergetischer Wirkungsgrad erreicht werden. Dies liegt daran, dass ein Verlust von Exergie einen Verlust von Möglichkeiten für weitere Umwandlungen oder Energienutzungen bedeutet. Beispiele hierfür sind:
- Die Umwandlung von elektrischer Energie in Niedertemperaturwärme in einer Elektroheizung ist mit 100 % energetischem Wirkungsgrad möglich, jedoch liegt der exergetische Wirkungsgrad sehr tief (bei wenigen Prozent). Der energetische Gesamtwirkungsgrad des verwendeten Systems (Kraftwerk plus Elektroheizung) liegt ebenfalls tief, weil die Gewinnung wertvoller Exergie aus Wärme in einem Kraftwerk große Verluste mit sich bringt. Es ist ineffizient, mit hohen Verlusten wertvolle Exergie zu gewinnen, ohne deren Qualität dann später zu nutzen. Der größte Verlust an Exergie findet in der Elektroheizung statt, nicht im Kraftwerk.
- Wer nur Energie und nicht die Exergie betrachtet, könnte meinen, die Elektroheizung mit Strom aus Wasserkraft sei durchaus effizient, da der energetische Gesamtwirkungsgrad bei über 80 % liegen kann. Dass dies falsch ist, zeigt jedoch das folgende Beispiel:
- Mit elektrischer Energie aus beliebigen Quellen kann eine Wärmepumpe betrieben werden. Hiermit lässt sich z. B. mit einer Leistungszahl von 4 Niedertemperaturwärme gewinnen. Dies bedeutet, dass 4 kWh Niedertemperaturwärme aus 1 kWh elektrischer Energie und 3 kWh Umgebungswärme (kostenloser Anergie) gewonnen werden. Man erhält also 4 mal mehr Wärme als mit einer Elektro-Direktheizung. Dies, obwohl auch der exergetische Wirkungsgrad einer Wärmepumpe meist deutlich unter dem physikalisch im Prinzip Möglichen liegt.
- Wie bereits erwähnt, zerstört ein Heizkessel einen Großteil der Exergie des Brennstoffs (z. B. Erdgas), selbst wenn er kaum Energieverluste hat. Eine effizientere Wärmeerzeugung ist möglich, wenn die Exergie des Brennstoffs bestmöglich genutzt wird: idealerweise zur Stromerzeugung mit höchst möglichem elektrischem Wirkungsgrad und mit zusätzlicher Nutzung der verbleibenden Wärme (→ Kraft-Wärme-Kopplung). Mit dem Strom kann dann eine Wärmepumpe betrieben werden, und die insgesamt erhaltene Wärmeenergie ist deutlich größer als die eingesetzte Energie des Brennstoffs – insbesondere wenn die Vorlauftemperatur der Heizungsanlage minimiert wird, so dass der Exergiebedarf des Heizsystems klein ist. Auch hier liegt der Gesamtnutzungsgrad noch nicht an der Grenze des physikalisch Möglichen, weil noch diverse Exergieverluste auftreten, insbesondere im Kraftwerk (wo die Gas- oder Dampftemperatur aus technischen Gründen tiefer liegt als die maximal mögliche Verbrennungstemperatur) und in der Wärmepumpe. Trotzdem kann dieses thermodynamisch optimierte Heizen gegenüber anderen Lösungen sehr viel Energie sparen.
- Eine Zentralheizung mit Heizkörpern braucht etwa gleich viel Heizenergie wie eine Fußbodenheizung (oder eine andere Flächenheizung), jedoch bei einer höheren Vorlauftemperatur. Der Verbrauch an Exergie ist also höher. Bei Verwendung einer Wärmepumpenheizung hat dies eine niedrigere Leistungszahl und damit einen höheren Primärenergieverbrauch zur Folge.
Aus diesen Beispielen kann man lernen, dass die Betrachtung der Exergie-Verluste zusätzlich zu der der Energie-Verluste dabei hilft, ein möglichst effizientes Gesamtsystem zu finden. Zwar könnte man auch ohne Wissen über Exergie einfach die energetischen Gesamtwirkungsgrade verschiedener Systeme vergleichen. Jedoch zeigt die Exergie-Betrachtung häufig schneller und deutlicher, bei welchem Schritt das größte Problem liegt – z. B. im elektrischen Heizkörper.
Literatur
| [1] | "Elektrizität: Schlüssel zu einem nachhaltigen und klimaverträglichen Energiesystem", eine Studie der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG) (2010); relevant für das Thema Exergie sind vor allem die Teile I.2 (Thermodynamisch optimiertes Heizen) und II.3 (Kraft-Wärme-Kopplung und Systemvergleich) |
Siehe auch: Energie, Hauptsätze der Thermodynamik, Kälte, Energieeffizienz, thermodynamisch optimiertes Heizen