Energieumwandlung

Energie – das klingt nach Sport und Ausdauer, nach Kraft und Schwung. Im Alltag spricht man davon, dass Energie „verbraucht” wird und dass man Energie „gewinnen” kann.

Die Physik sieht das anders: Energie kann man nicht „gewinnen” oder „verlieren”, man kann sie nur umwandeln. In diesem Dossier erklären wir, was man in der Physik unter Energie versteht und wie man sie misst bzw. was Arbeit und Leistung mit Energie zu tun haben.

Außerdem erfährt man einiges darüber, wie und wann sich die Energie umwandelt, wie das in verschiedenen Kraftwerkstypen vonstatten geht und was speziell in einem Kernkraftwerk passiert.

Und schließlich erklären wir, was der Wirkungsgrad ist und wie er berechnet wird.

Energie - was ist das?

Vor dem Start am höchsten Punkt der Achterbahn steht der Waggon fast still – und trotzdem steckt Energie in ihm. Man nennt sie Lageenergie (potenzielle Energie). In den nächsten Abschnitten gehen wir noch genauer darauf ein.

Diese Energie verwandelt der Achterbahnzug auf dem Weg abwärts in Bewegungsenergie (kinetische Energie). Während der Wagen anschließend wieder in die Höhe saust, wird er langsamer, weil sich seine Bewegungsenergie wieder in Lageenergie umwandelt.


 
 

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Was ist das überhaupt - Energie?

Auf diese Frage – die schwer mit einem Satz zu beantworten ist – antworten Physiker gerne: „Energie ist ein Maß dafür, wie viel Arbeit jemand oder etwas verrichten kann”. Doch was heißt das?

In der Antwort steckt eine wichtige Information. Energie ist so etwas wie ein Vorrat , also ein Zustand. Dagegen passiert bei der Arbeit etwas, es läuft ein Prozess ab. Man kann also sagen: Wird einem System Energie zugeführt, so steigt dessen Arbeit(sfähigkeit).

Ähnliches gilt im Übrigen für den Begriff der Wärme. Auch Wärme ist eine Prozessgröße. Wird einem Körper Wärme zugeführt, so wandelt sich dessen Zustand. Seine Energie, z. B. seine thermische Energie (kinetische und potenzielle Energie der Teilchen) verändert sich. Man kann also nicht sagen, ein System (z. B. ein Körper) hat Wärme, sondern nur, dass einem System Wärme zu- oder abgeführt wird.

Der physikalische Energiebegriff ist noch gar nicht so alt: Er wurde vor gerade mal rund 150 Jahren eingeführt. Gemessen wird die Energie in der Maßeinheit „Joule“; daneben sind noch andere Einheiten in Gebrauch, weil die Energiemengen, mit denen man im (physikalischen) Alltag zu tun hat, sehr unterschiedlich sind.

Beispiele für Energie

In der Physik hat Energie zwar oft, aber offensichtlich nicht immer etwas mit Bewegung zu tun.


Geschichte des Energiebegriffs

William Thomson (Lord Kelvin)  
William Thomson (Lord Kelvin)

Der Begriff „Energie“ wurde von William Thomson (Lord Kelvin) etwa 1850 im heutigen Sinn in die Physik eingeführt. Das Wort kommt aus dem Griechischen von „en“ (in) und „ergos“ (Arbeit). Zuvor dachte man lange, es gebe eine Art Energiestoff – das Phlogiston –, der in warmen Körpern steckt und den Körper beim Erkalten verlässt. Doch diese Annahme hat sich als falsch herausgestellt.

 
 

Maßeinheit für Energie - Joule

Die Energie wird in der Maßeinheit „Joule” (J) gemessen, benannt nach dem britischen Physiker James Joule (1818 - 1889). So hat es das Bureau International de Poids et Mesures (BIPM) festgelegt, das weltweit für die Definition von physikalischen Einheiten zuständig ist. Das BIPM nennt die Energie eine „abgeleitete Einheit mit eigenem Namen”, denn man kann sie von den „Basiseinheiten” Meter (m), Kilogramm (kg) und Sekunde (s) ableiten oder als Produkt aus Newton (N) und Meter (m) schreiben:

1 J = 1 N • m = 1 m2 • kg • s-2

Bei großen Energiemengen verwendet man meist den Zusatz „Kilo“ (k), „Mega“ (M) oder „Giga“ (G):

1 000 J = 1 kJ

1 000 000 J = 1 MJ

1 000 000 000 J = 1 GJ

Doch es gibt noch andere Maßeinheiten für die Energie...

… und andere Maßeinheiten

Für Kernreaktionen ist außerdem die Energieeinheit „Elektronvolt” (eV) wichtig. Ein Elektronvolt ist die Bewegungsenergie, die ein Elektron erhält, wenn es eine elektrische Spannung von einem Volt durchläuft. 

Warum erhält ein Elektron dabei Energie? Elektronen sind geladene Teilchen und die werden in elektrischen Feldern, die durch Spannungen hervorgerufen werden, beschleunigt. Dies beruht letzten Endes darauf, dass sich gleichnamige elektrische Ladungen abstoßen und ungleichnamige anziehen.

Im Vergleich zu einem Joule ist ein Elektronvolt extrem klein:

1 eV = 1,602 • 10-19 J

Außer „Joule” gibt es noch weitere Maßeinheiten für die Energie: Die „Kalorie” ist zum Beispiel eine veraltete Einheit, die früher in der Ernährung verwendet wurde. Eine Kalorie sind 4,1868 Joule. Auch die „Wattsekunde” (Watt • Sekunde) ist eine Energieeinheit; ein Joule ist dasselbe wie eine Wattsekunde: 1 J = 1 W • s.

Arbeit und Leistung

Wir wissen jetzt, dass zwischen Arbeit und Energie unterschieden wird, obwohl sie aus historischen Gründen in der gleichen Einheit gemessen werden: in Joule.

Und Vorsicht: Einige Begriffe sollten nicht mit Energie bzw. Arbeit verwechselt werden. Dazu gehört die Leistung. Die Leistung misst, wie viel Arbeit pro Zeit verrichtet wird.

Auch die Kraft ist etwas anderes als Energie und Arbeit, sie hängt aber folgendermaßen damit zusammen: Die Kraft drückt zum Beispiel aus, wie stark ein Gegenstand beschleunigt oder eine Feder zusammengepresst wird, und wird in Newton (N) gemessen. Wirkt eine Kraft entlang einer Wegstrecke, so wird Arbeit verrichtet. Die Energie des Systems steigt.

Ein Beispiel gefällig? Drückt man eine Feder mit einer Kraft um eine bestimmte Wegstrecke zusammen, so leistet man Arbeit. Diese Arbeit wird der Feder zugeführt. Hinterher steckt also mehr Energiein der Feder, die sogenannte Spannenergie.

Arbeit

Arbeit und Energie werden in der gleichen Einheit gemessen. Genau genommen sind Physikerinnen und Physiker hier etwas ungenau. Das Maß für Arbeit ist in Wirklichkeit ein Energie-Unterschied, während die Energie in absoluten Werten gemessen wird. 

Wie viel Arbeit bedeutet es, einen Koffer hoch zu heben? Beim Hochheben ändert man die Lageenergie des Koffers. Die Formel für diese Energie lautet:

E = m · g · h

Dabei ist m die Masse eines Gegenstands (Koffer), g die «Erdbeschleunigung» (9,81 m · s-2) und h die aktuelle Höhe über dem Erdboden. Unten hat der Koffer also eine andere Lageenergie als oben Der Unterschied ist die Arbeit, die man beim Hochheben leistet. Wie viel Joule macht das wohl bei einer eigenen Tasche?

Leistung

„Leistung ist Arbeit pro Zeit“ Die Einheit ist daher einfach „Joule pro Sekunde“.

1 J • s-1 = 1 N • m • s-1 = 1 m2 • kg • s-3 = 1 W

Elektrische Leistung misst man in „Watt“ (W). Ein Watt ist dasselbe wie ein Joule pro Sekunde.

Energie ist eine Verwandlungskünstlerin

Die wichtigsten Unterschiede zwischen dem alltäglichen Energiebegriff und dem Energiebegriff in der Physik haben wir jetzt kennen gelernt.

Doch es fehlt noch ein besonders wichtiger Unterschied: Im Alltag spricht man davon, dass Energie „erzeugt” oder „verbraucht” wird – in Wirklichkeit kann man Energie aber nicht „herstellen” oder „vernichten”.

Energie nimmt – innerhalb eines abgeschlossenen Systems – nie ab (Energieerhaltungssatz). Sie wird immer nur umgewandelt.

Energie ist daher eine große Verwandlungskünstlerin. Immer, wenn Arbeit verrichtet wird, wandelt sie sich von einer Energieform in eine andere um. Daher existiert die Energie in zahlreichen Erscheinungsformen. Ein Beispiel: Wenn man mit dem Fahrrad zur Schule fährt, verwandelt sich z. B. chemische Energie in den Muskeln zu Bewegungsenergie.

Eine ganz spezielle Form der Energieumwandlung ist übrigens die zwischen Masse und Energie, die bei allen Kernreaktionen eine Rolle spielt.

Energieerhaltungssatz

Das, was in der Physik ein "abgeschlossenes System" genannt wird, kann man sich wie den Raum unter einer Glasglocke vorstellen, durch die keine Energie hinein und hinaus dringen kann.

Dann gilt: Die gesamte Energie unter der Glasglocke bleibt immer erhalten, egal, was darunter passiert – auch, wenn sie in unterschiedliche Energieformen umgewandelt wird. Das ist die Kernaussage eines der wichtigsten Sätze der Physik, des "Energieerhaltungssatzes" oder "Ersten Hauptsatzes der Thermodynamik". Das Universum stellt vermutlich ein solches abgeschlossenes System dar.

Weil bei solchen Umwandlungsprozessen immer ein Teil der Energie in thermischer Energie umgewandelt (als Wärme abgeführt) wird und sich unter der Glasglocke verteilt, herrscht darin irgendwann (unter Umständen nach sehr langer Zeit) überall die gleiche Temperatur. Man nennt das den „Wärmetod des Systems”. Die Energie ist dann aber nicht „aufgebraucht”, sondern nur ganz gleichmäßig in der Glasglocke verteilt. Es gibt keine wesentlichen Energieunterschiede mehr, so dass keine Arbeit mehr geleistet werden kann.

Verschiedene Energieformen

Es gibt zahlreiche Energieformen, z. B.:

Diese Energieformen treten ständig im Alltag auf.

Energieverwandlung überall

Überall und ständig wird Energie von einer Form in die andere umgewandelt. Eine der größten Energieumwandlungsmaschinen ist die Erde selbst. Energie, die zum Beispiel bei Vulkanausbrüchen frei wird, wird umgewandelt in Bewegungsenergie, wenn Steine rollen, in Strahlungsenergie (Licht) und in thermische Energie.

Eine viel kleinere Energieumwandlungsmaschine ist jede Topfpflanze: Sie verwandelt Energie aus dem Sonnenlicht (das aus elektromagnetischen Wellen besteht) in chemische Energie.

E = mc²

E = mc² – diese Formel haben wir bestimmt alle schon mal gesehen. Albert Einstein hat sie so ähnlich in einem Nachtrag zu seiner „Speziellen Relativitätstheorie” von 1905 veröffentlicht. Die Formel besagt, dass Energie und Masse (also Materie) äquivalent sind – Masse ist also eine andere Form der Energie und beides lässt sich ineinander umwandeln. Zum Beispiel im Kernreaktor: Die Spaltprodukte eines gespaltenen Urankerns haben zusammengenommen eine geringere Masse als der ganze Urankern. Die Massen-Differenz wird als Energie frei.

Der Faktor, der Energie und Masse verknüpft, ist die Lichtgeschwindigkeit c – und die ist ganz schön groß (Licht bewegt sich mit etwa 300.000 Kilometer pro Sekunde). Das ist der Grund dafür, dass schon sehr wenige Gramm Masse einer riesigen Menge an Energie entsprechen.

Energieumwandlung in Kraftwerken

Innerhalb unseres Sonnensystems wird die meiste Energie in der Sonne selbst umgewandelt. Sie ist ein gigantisches Fusionskraftwerk, in dem ständig Wasserstoff zu Helium verschmolzen wird.

Auch irdische Kraftwerke verwandeln – in viel kleinerem Maßstab – Energie von einer Form in eine andere. Solarkraftwerke zum Beispiel machen aus Energie, die in der elektromagnetischen Strahlung der Sonne steckt (dem Sonnenlicht) thermische Energie oder elektrische Energie.

Ein Wasserkraftwerk dagegen setzt die Lageenergie des Wassers im Stausee, das dann durch die Turbine strömt, zunächst in Bewegungsenergie um und verwandelt diese danach im Generator in elektrische Energie.

In einer Brennstoffzelle wird Energie aus der chemischen Bindung in elektrische Energie umgewandelt.

Und ein Windkraftwerk schließlich wandelt die Bewegungsenergie der Luftteilchen in elektrische Energie um.

Sonne

Sonnenprotuberanz am 14. September 1999 (SOHO (ESA & NASA))
Sonnenprotuberanz am 14. September 1999 (SOHO (ESA & NASA))

Die Sonne ist selbst ein riesiges Kraftwerk, das in jeder Sekunde sechs Millionen Tonnen Materie in elektromagnetische Energie und thermische Energie umwandelt, und zwar durch Kernfusion. Dabei wird in komplexen Prozessen aus vier Wasserstoffkernen ein Helium-4-Kern.

ESA - European Space Agency

 
 

Wasserkraft

Im Walchensee-Kraftwerk strömt das Wasser in sechs Röhren aus dem Walchensee in das 200 Meter tiefer gelegene Turbinenhaus. Hier wird die Bewegungsenergie des Wassers ausgenutzt: Acht Turbinen sorgen über Generatoren für die Umwandlung in elektrische Energie.

Windkraft

Schematischer Aufbau eines Windrads
Schematischer Aufbau eines Windrads

Auch in diesem Windkraftwerk wird Energie umgewandelt: Die Rotorblätter sind geformt wie die Tragflächen eines Flugzeugs, an denen der Wind – die Bewegung von Luftteilchen – entlang streicht. Dadurch entsteht auf der einen Seite des Rotors ein Überdruck und auf der anderen ein Sog, was den Rotor in Drehung versetzt (Bewegungsenergie). Damit treibt man einen Generator an, der die Bewegungsenergie in elektrische Energie umsetzt.

 
 

Brennstoffzelle

Eine Brennstoffzelle ist im Prinzip ein Gefäß, das in der Mitte von einer dünnen Membran getrennt wird. Wasserstoffatome, die auf der einen Seite eingeleitet werden, dringen durch die Membran. Dabei müssen sie aber ihre Elektronen zurücklassen. Auf der anderen Seite verbinden sich die Wasserstoff-Kerne mit Sauerstoff. Dazu werden aber wieder Elektronen benötigt, die von außen um die Membran herum geleitet werden und dabei elektrische Geräte betreiben können.

So wird die Bindungsenergie des Wassers in elektrische Energie umgewandelt: Pro Wassermolekül werden etwa 9,5 10-19 J frei.

Brennstoffzelle (Vattenfall GmbH)
Brennstoffzelle (Vattenfall GmbH)

Die Funktion der Brennstoffzelle:

Schritt 1: Die in zwei Kreisläufen getrennten Gase Sauerstoff und Wasserstoff wandern vom Gasraum in den Katalysator.

Schritt 2: Die Wasserstoffmoleküle (H2) werden durch den Katalysator in zwei H+ Atome (Protonen) gespalten. Dabei gibt jedes Wasserstoffatom sein Elektron ab.

Schritt 3: Die Protonen wandern durch den Elektrolyten (hochkonzentrierte Phosphorsäure) zur Kathodenseite.

Schritt 4: Die Elektronen wandern von der Anode zur Kathode und bewirken einen elektrischen Stromfluss, der einen Verbraucher mit elektrischer Energie versorgt.

Schritt 5: Jeweils vier Elektronen an der Kathode rekombinieren mit einem Sauerstoffmolekül.

Schritt 6: Die nun entstandenen Sauerstoff-Ionen sind negativ geladen und wandern zu den positiv geladenen Protonen.

Schritt 7: Die Sauerstoff-Ionen geben ihre beiden negativen Ladungen an zwei Protonen ab und oxidieren mit diesen zu Wasser.

Energieumwandlung im Kernkraftwerk

Auch in Kernkraftwerken – ganz gleich, welchen Typs – finden wie in anderen Kraftwerken viele Energieumwandlungen hintereinander statt.

Im Kernkraftwerk wird atomare Bindungsenergie…

Den Anfang macht im Kernkraftwerk die Energie, die in der Bindung der Kernbausteine, zum Beispiel der Uran-235-Kerne steckt. Diese Energie wird in Bewegungsenergie verwandelt, indem man die Atome spaltet: Die Spaltprodukte der Uran-Kerne fliegen mit großer Geschwindigkeit auseinander. Dadurch versetzen sie die umgebenden Urandioxid-Kerne in heftige Schwingungen; die Kernbindungsenergie wurde also in thermische Energieumgewandelt. Infolgedessen steigt die Temperatur im Brennstabauf etwa 800 °C.

...zu elektrischer Energie

Diese thermische Energie macht weitere Verwandlungen durch: Das die heißen Brennstäbe umgebende Wasser erhitzt sich so sehr, dass das Kühlwasser zum Beispiel im Reaktordruckgefäß eines Siedewasserreaktors verdampft. Der Dampf presst aufgrund seines hohen Drucks (Lageenergie) gegen das Schaufelrad der Turbine und treibt es an (Bewegungsenergie). Diese Bewegungsenergie wiederum wird zum Schluss im Generator in elektrische Energie umgewandelt.

Kernkraft in Deutschland

Kernkraftwerk Grohnde
Kernkraftwerk Grohnde

In Deutschland sind sieben Kernkraftwerke mit einer elektrischen Bruttoleistung von 10.013 MW in Betrieb. Deutsche Kernkraftwerke erzeugten im Jahr 2017 76,324 Mrd. kWh elektrischen Strom.

Das neueste Kernkraftwerk wurde 1989 in Betrieb genommen: Das Kernkraftwerk Neckarwestheim 2, ein Druckwasserreaktor.

Neben Kernreaktoren, die in Kraftwerken zur Erzeugung von Strom dienen, gibt es auch Forschungsreaktoren, deren Reaktoren vor allem Neutronen für Forschungszwecke verfügbar machen. Diese Reaktoren stehen im Helmholtz-Zentrum Berlin, in Garching bei München und am Institut für Kernchemie der Uni Mainz.

Was passiert im Brennstab?

In einem Brennstab schwingen die Urandioxid-Moleküle durcheinander, beschleunigt durch den Zerfall der Uran-235-Atome. Durch Stoßprozesse wird diese thermische Energie durch die Atome in der Hülle des Brennstabs (er besteht aus einer speziellen Metalllegierung, dem „Zirkaloy”) in das umgebende Wasser geführt, in das die Brennstäbe eintauchen. Mit dem Wasser wird die Energie im Kraftwerk weiter transportiert.

Weitere Umwandlungsprozesse im Reaktor

Blick in den Tank des Forschungsreaktors TRIGA Mainz beim Pulsbetrieb mit der typischen Tscherenkow-Strahlung. Im Vordergrund sind Instrumentierungseinrichtungen zu sehen.
Blick in den Tank des Forschungsreaktors TRIGA Mainz beim Pulsbetrieb mit der typischen Tscherenkow-Strahlung. Im Vordergrund sind Instrumentierungseinrichtungen zu sehen.

Neben den Energieumwandlungen von thermischer Energie bis zur elektrischen Energie passieren im Kernkraftwerk noch zahlreiche andere Energieumwandlungen, die nicht für die Stromgewinnung ausgenutzt werden: Zum Beispiel erhitzt sich das Turbinen-Kühlwasser und trägt so thermische Energie aus dem Kraftwerk heraus.

Im Reaktorbecken wird außerdem nicht nur Wärme frei, sondern auch Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung (Gammastrahlung bzw. Licht, die sogenannte Tscherenkow-Strahlung, die das Reaktorbecken blau leuchten lässt).

Was hat es mit dem Wirkungsgrad auf sich?

Energie kann nicht verloren gehen. Doch bei fast jeder Energieumwandlung entweicht ein Teil der Energie ungenutzt in die Umwelt, zum Beispiel als Wärme. Wie beim Fahrrad: Wenn man tritt, erwärmen sich durch die Reibung Tretlager und Kette. Diese thermische Energie nützt aber nichts beim Vorankommen.

Dasselbe passiert auch in einem Kraftwerk. So erwärmen sich zum Beispiel Getriebe, Rohrleitungen und elektrische Leitungen und geben Wärme an die umgebende Luft ab. Um Stromleitungen bauen sich außerdem Magnetfelder auf. All diese Energie entweicht ungenutzt.

Das Verhältnis zwischen nutzbarer und aufgewendeter Energie wird „Wirkungsgrad” genannt und mit dem griechischen Buchstaben η (eta) bezeichnet:

η = nutzbare Energie / aufgewendete Energie

Der Wirkungsgrad wird oft in Prozent angegeben, zum Beispiel bedeutet η = 0,1, dass der Wirkungsgrad 10 Prozent beträgt.

Technische Geräte, die z. B. elektrische Energie in mechanische Energie verwandeln, besitzen üblicherweise einen Wirkungsgrad zwischen 60 und 80 Prozent. Der Rest – 20 bis 40 Prozent der Energie, die man in Maschinen investiert – können also nicht genutzt werden. Allerdings versucht man natürlich mit verschiedenen Maßnahmen, den Wirkungsgrad laufend zu verbessern.

Wie man den Wirkungsgrad verbessert

Durch ständige technische Verbesserungen versucht man den Wirkungsgrad von Kraftwerken zu erhöhen. Dazu gehört zum Beispiel die Isolation gegen Wärmestrahlung und -leitung – aber noch mehr: Man verwendet auch Turbinen, deren Schaufel-Form im Computer optimiert wurde. Der Dampf wird in einem ausgeklügelten Kreislauf mehrmals durch die Turbine geschickt, wobei die Turbinenschaufeln jeweils genau auf die Temperatur- und Druckverhältnisse abgestimmt werden. Dadurch möchte man die Energie, die im Dampf steckt, optimal nutzen.

Wirkungsgrad: Beispiele

Ein Fahrraddynamo verwandelt Bewegungsenergie in elektrische Energie. Berührt man einen Dynamo aber nach dem Fahren, merkt man, wie sehr er sich erwärmt hat: Diese thermische Energie bleibt ungenutzt.

Das Perpetuum Mobile

Eine Maschine mit einem Wirkungsgrad von 100 Prozent und darüber wäre ein „Perpetuum Mobile“ (lat. „ewig beweglich“). Leider sind solche Apparate – die im Prinzip ohne Energiezufuhr ständig mechanische Energie abgeben – Phantasiegebilde: In der Wirklichkeit kann man sie nicht bauen, weil bei jedem Energie-Transport bzw. bei jeder Energieumwandlung thermische Energieabgezweigt wird. Das folgt aus einer der Grundregeln der Physik, dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik (Energieerhaltungssatz).

Zusammenfassung

Wenn jemand vom Preis für eine „Kilowattstunde Strom“ (kWh) spricht, dann wissen wir jetzt Bescheid: Er oder sie spricht von der elektrischen Energie, die ein Stromanbieter verkauft. Uns ist klar, dass diese elektrische Energie nur ein Teil jener Energie ist, die im Kraftwerk immer wieder von einer Energieform in eine andere umgewandelt wurde.

Doch es gibt noch weitere Geheimnisse rund um Strom, Energie und Kernkraft zu entdecken. Lust bekommen? Dann einfach weiterlesen...

 

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