www.energie-lexikon.info, enlex.info
RP-Energie-Lexikon
fachlich fundiert, unabhängig von Lobby-Interessen

Exergie

<<<  |  >>>  |  Feedback

Definition: Energie in hochwertiger Form, geeignet zum Leisten von mechanischer Arbeit

Englisch: exergy

Kategorien: Grundbegriffe, physikalische Grundlagen

Formelsymbol: E

Einheit: Joule (J), Kilowattstunde (kWh)

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 17.03.2010; letzte Änderung: 11.09.2016

Warum brauchen wir den Begriff Exergie zusätzlich zu dem der Energie?

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 also 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:

Leistungszahl von Wärmepumpen bei verschiedenen Vorlauftemperaturen

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. Der Exergieanteil von elektromagnetischer Strahlung hängt auch von deren Intensität ab: Wenn die Intensität nur so hoch ist wie die von Wärmestrahlung eines schwarzen Körpers bei der Umgebungstemperatur, liegt keinerlei Exergie vor.

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 Osmosekraftwerke 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 auf reversible Art 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

Bezahlt wird eigentlich nur für Exergie, nicht für Anergie. Letztere ist unbegrenzt verfügbar, aber eben auch nur sehr eingeschränkt nutzbar.

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.

Die Betrachtung der Exergie macht oft deutlicher, warum gewisse Energieumwandlungen ineffizient sind: Wirkungsgrade sagen nicht die ganze Wahrheit.

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:

Elektroheizungen sind schlimme Exergievernichter. Heizkessel sind allerdings auch alles andere als ideal.

Der Artikel über thermodynamisch optimiertes Heizen zeigt, wie man die Exergie beim Heizen optimal einsetzt.

Die Kraft-Wärme-Kopplung nutzt die Exergie von Brennstoffen besser, selbst wenn der Gesamtwirkungsgrad geringer ist als der eines Heizkessels.

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 und nicht im Kraftwerk.

Technologien, die den Primärenergieverbrauch unter besonderer Beachtung des Aspekts der Exergie vermindern, werden auch als LowEx-Technologien bezeichnet. Ein Beispiel hierfür ist das thermodynamisch optimierte Heizen.

Literatur

[1]Blog-Artikel: Exergie betrachten - ein Schlüssel zum thermodynamisch optimierten Heizen
[2]"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)

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Energie, Entropie, Thermodynamik, Hauptsätze der Thermodynamik, Kälte, Energieeffizienz, thermodynamisch optimiertes Heizen
sowie andere Artikel in den Kategorien Grundbegriffe, physikalische Grundlagen

Kommentare von Lesern

Hier können Sie einen Kommentar zur Veröffentlichung vorschlagen. Über die Annahme wird der Autor des RP-Energie-Lexikons nach gewissen Kriterien entscheiden. Im Kern geht es darum, dass der Kommentar für andere Leser potenziell nützlich ist.

Ihr Name:
(freiwillige Angabe – auch Pseudonyme sind erlaubt)
Ihre E-Mail-Adresse:
(freiwillige Angabe)
Ihr Hintergrund:
(freiwillige Angabe, z. B. Energieberater, Handwerker oder Journalist)
Ihr Kommentar:
Spam-Prüfung:   (bitte die Summe von fünf und zwölf hier als Ziffern eintragen!)

Bem.: Mit dem Abschicken geben Sie Ihre Einwilligung, Ihren Kommentar hier zu veröffentlichen. (Sie können diese später auch widerrufen.) Da Kommentare zunächst vom Autor durchgesehen werden, erscheinen sie verzögert, z. B. erst am Folgetag oder evtl. noch etwas später.

Wie gefällt Ihnen dieser Artikel?

Ihr Gesamteindruck: weiß nicht unbefriedigend in Ordnung gut ausgezeichnet
Fachliche Qualität: weiß nicht unbefriedigend in Ordnung gut ausgezeichnet
Lesbarkeit: weiß nicht unbefriedigend in Ordnung gut ausgezeichnet
Verdient dieser Artikel (oder das Energie-Lexikon insgesamt) Ihrer Ansicht nach Links von anderen Webseiten?
  nein eventuell ja
Kommentar:

Vielleicht haben Sie auch konkrete Vorschläge für inhaltliche Ergänzungen, nützliche Literaturangaben etc. Falls Sie eine bessere Website für dieses Thema kennen, sind wir dankbar für einen Hinweis darauf.

Wenn Sie einen Kommentar zur Veröffentlichung auf unserer Seite vorschlagen möchten, verwenden Sie dazu bitte das Formular im Kasten "Kommentare von Lesern".

Spam-Prüfung: (bitte den Wert von 5 + 8 hier eintragen!)

Wenn Sie eine Antwort möchten, können Sie Ihre E-Mail-Adresse im Kommentarfeld hinterlassen oder direkt eine E-Mail senden. Letztere Methode führt meist zu schnelleren Antworten.

Wenn Ihnen das RP-Energie-Lexikon gefällt, möchten Sie vielleicht auch den RP-Energie-Blog als E-Mail-Newsletter abonnieren.

Teilen Sie den Link auf diesen Artikel mit anderen:

Leserkommentare im RP-Energie-Lexikon

Es ist nun möglich, Kommentare von Lesern unterhalb von Lexikonartikeln zu veröffentlichen. Sie können solche Kommentare im Formular unterhalb des jeweiligen Artikels eingeben. Wir erhoffen uns insbesondere nützliche Hinweise beispielsweise auf Aspekte, die der Autor übersehen hat, oder auf mögliche Missverständnisse.

Um sicherzustellen, dass nur angemessene und nützliche Kommentare erscheinen, wird darüber vom Autor anhand gewisser Kriterien entschieden.

Weiterhin nehmen wir auch gerne nicht zu veröffentlichende Rückmeldungen an den Autor entgegen; hierfür gibt es ein separates Formular.

– Alle Banners –

– Ihr eigenes Banner! –

Die Startseite gibt Ihnen den Einstieg in das RP-Energie-Lexikon, auch mit Tipps zur Benutzung.
Hier finden Sie diverse Ratgeber-Artikel, insbesondere im Bereich der Haustechnik.
Hiermit wird Ihnen ein zufällig ausgewählter Lexikonartikel angezeigt.
Der RP-Energie-Blog präsentiert Interessantes und Aktuelles zum Thema Energie. Er ist auch als E-Mail-Newsletter erhältlich.
Hier finden Sie die Kontaktinformationen und das Impressum.
Werden Sie ein Sponsor des RP-Energie-Lexikons – des besten deutschsprachigen Energielexikons im Internet!
Hier erfahren Sie mehr über den Autor des RP-Energie-Lexikons und seine Grundsätze.
Hier können Sie die Artikel des RP-Energie-Lexikons nach Kategorien geordnet durchstöbern.
Verbreitete Irrtümer zu Energiefragen werden hier detailliert aufgedeckt.
Der Glossar fasst die Definitionen von Fachbegriffen aus den Artikeln zusammen.
Mit dem Energie-Quiz können Sie Ihr Wissen im Energiebereich testen und vertiefen.
Hier werden die Hintergründe des Projekts beschrieben, auch die gewählten Grundsätze.
Mit zigtausenden von Nutzern pro Monat ist das RP-Energie-Lexikon zu einer interessanten Werbeplattform geworden.
Vom Autor des RP-Energie-Lexikons können Sie auch Beratung erhalten, insbesondere zu Energie-Technologien.
Hier finden Sie die Liste aller Artikel zu einem bestimmten Anfangsbuchstaben.
Hier können Sie nach Artikeln suchen, deren Titel ein bestimmtes Stichwort enthalten.
(Beachten Sie auch die Volltextsuche beim Menüpunkt "Suche"!)