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Anergie

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Definition: Energie, die keine Arbeit verrichten kann

Englisch: anergy

Kategorien: Grundbegriffe, physikalische Grundlagen, Wärme und Kälte

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 27.07.2016; letzte Änderung: 28.07.2016

Der Artikel über Exergie erklärt, dass Exergie den Anteil der Energie eines Systems bezeichnet, welches Arbeit leisten kann. Anergie ist nun der Gegenbegriff hierzu – also Energie, die keine Arbeit leisten kann und in diesem Sinne (auch ökonomisch gesehen) minderwertig ist. In der Energietechnik wird der Begriff in der Regel in einer Weise verwendet, die nicht präzise im Rahmen der Thermodynamik definiert ist, aber trotzdem im gegebenen Zusammenhang eine klare Bedeutung haben kann, wie im Folgenden anhand einiger Beispiele gezeigt wird.

Einem See kann sehr viel Anergie entnommen werden, aber keine Exergie.

Als erstes Beispiel betrachte man einen See, dessen Wasser sich auf der gleichen Temperatur wie die umgebende Luft befindet. Man könnte dem See durchaus Energie in Form von Wärme entziehen, beispielsweise mithilfe einer Wärmepumpe, deren Betrieb freilich Exergie (beispielsweise elektrische Energie) erfordert. Jedoch wäre es nicht möglich, mithilfe der Wärme des Sees eine Wärmekraftmaschine zu betreiben – es sei denn, man hätte zusätzlich ein Wärmereservoir auf einem anderen Temperaturniveau (oder auch eine tiefe Senke, in die man das Wasser des Sees über eine Turbine leiten könnte). Der See kann also als ein Reservoir für die Entnahme von Anergie betrachtet werden, nicht dagegen für Exergie. (Zwar hätte man in Verbindung mit Wärme oder kälter Außenluft theoretisch ein gewisses Exergiepotenzial, aber dieses ließe sich wegen der geringen Temperaturunterschiede kaum praktisch nutzen.)

Das Beispiel macht auch deutlich, dass die Exergie und Anergie beispielsweise eines Wasserreservoirs nicht nur von diesem selbst abhängen, sondern auch von der Temperatur der Umgebung. In der Praxis der Energietechnik ist nun aber nicht einmal diese Temperatur der Umgebung eine klar definierte Größe, da sich die Welt eben nicht im thermodynamischen Gleichgewicht befindet: Man hat beispielsweise eine bestimmte Lufttemperatur, aber die Temperatur des Bodens kann von dieser deutlich abweichen. Allein schon aus diesem Grund ist die Menge von Anergie oder Exergie, die ein solches Reservoir enthält, oft keine klar definierte Größe. Dagegen lässt sich eindeutig sagen, ob einem Reservoir Exergie oder Anergie entnommen wird. Dies wäre bei Fernwärme typischerweise der größte Teil der gelieferten Energie.

Wenn Wärme beispielsweise in Form heißen Wassers in einer Fernwärmeleitung geliefert wird, dann kann diese Energielieferung gedanklich in Exergie und Anergie aufgeteilt werden. Der Exergieanteil ist die Menge elektrischer Energie, die man theoretisch mit einer perfekten Wärmekraftmaschine (mit einem Wirkungsgrad, der dem Carnot-Wirkungsgrad entspricht) gewinnen könnte – wobei als zweites Temperaturniveau z. B. die Temperatur der Außenluft verwendet wird. Die Menge von Anergie wäre dann die gesamte gelieferte Energiemenge abzüglich der Menge von Exergie.

Übrigens muss es bei Exergie und Anergie nicht unbedingt um Wärme gehen. Beispielsweise kann der Druck in einem Kubikmeter der Luft im Freien nicht zum Antrieb einer Turbine verwendet werden, da die gesamte Umgebung denselben Druck hat; man bräuchte für die Turbine einen Druckunterschied. Deswegen liegt auch hier wieder nur Anergie vor, nicht Exergie.

Was hat Anergie mit Entropie zu tun?

Irreversible Prozesse verwandeln oft Exergie in Anergie, auch wenn die gesamte Menge von Energie unverändert bleibt (→ Energieerhaltung). Wenn beispielsweise ein heißer Gegenstand im Freien aufgestellt wird, besitzt dieser zunächst eine gewisse Menge von Exergie; man könnte nämlich theoretisch mit ihm und der kälteren Umgebung eine Wärmekraftmaschine betreiben. Wenn dagegen der Körper nur Wärme an die Umgebung abgibt, bis er deren Temperatur angenommen hat, ist die Exergie verloren; er und die Umgebung haben nur noch reine Anergie. Mit dieser Änderung ist eine Zunahme der Entropie verbunden. Man kann deswegen Anergie aus als entropiereiche Energie betrachten.

Das Grundproblem des Heizens von Gebäuden ist eigentlich nicht, dass Wärme verloren geht, sondern dass Exergie in Anergie verwandelt wird!

Wenn ein Gebäude beheizt werden muss, geht dabei letztendlich Wärme verloren; sie verteilt sich in der Umgebung. Das eigentliche Problem kann aber auch so gesehen werden, dass Exergie in Anergie verwandelt wird (v. a. als Folge der Wärmeleitung). Theoretisch könnte man nämlich die an der äußeren Oberfläche des Hauses entweichende Wärme mithilfe von gekühlten Rohrschlangen nahe der Oberfläche weitgehend “abfangen” und mit einer Wärmepumpe dem Heizungssystem zuführen. Dann würde zwar keine Wärme mehr in die Umgebung entweichen können, aber trotzdem bliebe der unvermeidliche Exergieaufwand für den Betrieb der Wärmepumpe; die Vermeidung des Wärmeverlusts würde also das eigentlich Problem gar nicht lösen. Man kann nun genauso gut die Anergie für die Wärmepumpe woanders der Umgebung entnehmen (z. B. mit einer Erdwärmesonde), wo dies auch meist praktikabler ist.

Die Grundidee des thermodynamisch optimierten Heizens von Gebäuden ist, dass man für die Bereitstellung der benötigten Heizwärme möglichst wenig Exergie aufwendet, d. h. nicht nur den Heizwärmebedarf minimiert, sondern auch für deren Bereitstellung einen möglichst hohen Anteil von Anergie nutzt. Hierfür kann man Wärmepumpen mit hoher Leistungszahl (ermöglicht durch geringe Temperaturdifferenzen) nutzen, oder auch Niedertemperatur-Abwärme aus geeigneten Quellen.

Für entnommene Anergie zahlt man normalerweise kein Geld – für die Technik, die diese Entnahme benötigt, jedoch schon. Dies macht oft einen guten Teil der Kosten für den Betrieb von Wärmepumpen aus.

Anergie ist im Prinzip in beliebigen Mengen v. a. als Umweltwärme kostenlos verfügbar, da man sie ja einfach der Umwelt entnehmen kann. Jedoch ist diese Entnahme praktisch gesehen nicht immer einfach und deswegen auch nicht ohne Kosten möglich. In der Tat ist beispielsweise die Gewinnung der Anergie (Niedertemperaturwärme) für die Realisierung von Wärmepumpenheizungen oft das größere Problem als die Beschaffung (und Bezahlung) der Exergie. Deswegen kann es auch durchaus sinnvoll sein, Anergie beispielsweise in Form kalten Wassers durch Leitungen zu transportieren, um dieses für die Erzeugung von Wärme auf einem höheren Temperaturniveau mit einer Wärmepumpe (evtl. auch mit mehreren dezentralen Wärmepumpen) nutzen zu können. Unter anderem diese Idee wird zunehmend im Zusammenhang mit Anergienetzen genutzt. In manchen Fällen wird auch Anergie gespeichert, beispielsweise in Eisspeichern.

Der Artikel über Exergie enthält weitere Informationen zu diesem Thema.

Siehe auch: Anergienetz, Exergie, Entropie, Wärme, Thermodynamik, thermodynamisch optimiertes Heizen, Eisspeicher
sowie andere Artikel in den Kategorien Grundbegriffe, physikalische Grundlagen, Wärme und Kälte

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