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Chemische Energie

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Definition: Energie, die in chemischer Form gespeichert ist und bei chemischen Reaktionen freigesetzt werden kann

Englisch: chemical energy

Kategorien: Grundbegriffe, physikalische Grundlagen

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta (G+)

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 20.09.2011; letzte Änderung: 11.01.2015

Viele fossile oder erneuerbare Energieträger enthalten chemische Energie. Diese wird in aller Regel als Wärme freigesetzt, wenn eine (exotherme) chemische Reaktion erfolgt – meist die Verbrennung mit Hilfe von Luftsauerstoff. Da die Verbrennung meist gezielt gestartet werden kann (z. B. durch den Brenner eines Heizkessels), lässt sich die chemische Energie nach Bedarf abrufen. Meistens lässt sich chemische Energie über lange Zeit problemlos speichern; es muss lediglich verhindert werden, dass die die Energie freisetzende chemische Reaktion vorzeitig stattfindet, oder dass der Brennstoff entweicht oder sich zersetzt. Vorteilhaft ist außerdem die meist recht hohe Energiedichte – insbesondere bei mobilen Anwendungen. Direkte Speicher für elektrische Energie, etwa Kondensatoren, sind Speichern für chemische Energie in puncto Energiedichte und Speicherbarkeit bisher weit unterlegen. Dasselbe gilt für aufladbare Batterien, obwohl diese die Energie auch in chemischer und nicht etwa elektrischer Form speichern.

Beispiele für gebräuchliche fossile chemische Energieträger sind Heizöl und Dieselkraftstoff, Erdgas sowie Kohle. Aus erneuerbaren Energiequellen lassen sich ähnliche Energieträger herstellen, beispielsweise Biodiesel und Biogas, aber auch Synthesegas. Auch aus elektrischer Energie lassen sich chemische Energieträger herstellen, insbesondere sogenanntes EE-Gas mit Wasserstoff und evtl. daraus durch Dampfreformierung gewonnenes Methan.

Nahrungsmittel enthalten ebenfalls chemische Energie, und diese ist die energetische Lebensgrundlage für alle Tiere.

Mikroskopisch gesehen ist chemische Energie an sich elektrische Energie – sie basiert vollkommen auf elektrischen Wechselwirkungen auf molekularer Ebene. Trotzdem wird sie üblicherweise nicht als elektrische Energie bezeichnet, da sie von der Nutzung her in der Regel völlig anders ist. Es gibt allerdings auch elektrochemische Apparate wie z. B. Batterien, wo chemische Energie direkt als elektrische Energie entnommen oder zugeführt werden kann – mit meist recht hohem Wirkungsgrad, ohne dass eine Verbrennung stattfände.

Verbrennungsenthalpie

Die bei einer Verbrennung (oder einer anderen exothermen chemischen Reaktion) freigesetzte Energie ist die Differenz der in den Ausgangsprodukten und Endprodukten enthaltenen Energien. Viel Energie wird also frei, wenn energiereiche Produkte (Brennstoffe) in energiearme Substanzen wie z. B. Wasser und Kohlendioxid umgewandelt werden.

Genau genommen ist die freigesetzte Wärmemenge, auch als Reaktionsenthalpie bezeichnet, nicht unbedingt identisch mit der genannten Differenz von Energien, da sich auch das Volumen der Substanzen ändern kann und Volumenänderungen unter dem Einfluss des Atmosphärendrucks eine zusätzliche Zufuhr oder Abfuhr von Energie bedeuten. Wenn z. B. Wasserstoff mit Sauerstoff reagiert, hat der entstehende Wasserdampf ein kleineres Volumen als die Ausgangsstoffe. Der Atmosphärendruck führt dann dazu, dass zur Reaktionsenergie noch eine Volumenarbeit hinzukommt, also etwas mehr Wärme frei wird. In anderen Fällen, z. B. bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen, kann dies umgekehrt sein.

Umwandlung chemischer Energie in andere Energieformen

Aus chemischer Energie lässt sich meistens mit relativ hohem Wirkungsgrad Wärme herstellen; oft nur kleine Verluste können entstehen durch die Abwärme von Abgasen und eventuell durch unvollständige Verbrennung. Die Umwandlung dieser Wärme in mechanische und schließlich elektrische Energie ist aber in aller Regel mit erheblichen Energieverlusten verbunden. Dies liegt zum guten Teil an prinzipiellen thermodynamischen Begrenzungen, verbunden mit den begrenzten erzeugbaren oder nutzbaren Temperaturniveaus, und teilweise auch an nicht idealen Eigenschaften der verwendeten Wärmekraftmaschinen.

Brennstoffzellen können chemische Energie direkt (ohne Wärme als Zwischenstufe) in elektrische Energie umwandeln. Hierbei sind höhere Wirkungsgrade möglich, teilweise weit über 50 %.

Extrem ineffizient ist die Erzeugung von Licht für Beleuchtungszwecke über Wärme aus chemischer Energie, wie es früher z. B. in Gaslaternen geschah. Wesentlich effizienter ist die Beleuchtung mit dem Umweg über elektrische Energie, selbst wenn relativ ineffiziente Kraftwerke und Glühlampen verwendet werden.

Chemische Energiespeicherung

Der Artikel über chemische Energiespeicherung erklärt, wie chemische Energie für Energiespeicher eingesetzt werden kann.

Siehe auch: Energie, Enthalpie, chemische Energiespeicherung, Energieträger, fossile Energieträger, Brennstoff, Brennwert, Heizwert, Brennstoffzelle
sowie andere Artikel in den Kategorien Grundbegriffe, physikalische Grundlagen

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