02 Unterrichtsmitschrift von Lorena
Energetik 02 –Zusammenfassung - a Energietransfer - b Energieträger – c Energiewandler - d Energieflussdiagramme – e Wirkungsgrad
● An einem Energietransfer bzw. einer Energieumwandlung sind beteiligt: Energieformen („MESSI“), Energieträger und Energiewandler.
● Energieträger sind Stoffe, die Energie in sich gespeichert haben
● Fossile Energieträger sind vor Millionen von Jahren aus toten Pflanzen und Tieren entstanden: Hierzu zählen Kohle, Erdgas und Erdöl (bei deren Verbrennung klimaschädliches Kohlenstoffdioxid CO2 entsteht).
● Fossile Energieträger sind nicht-erneuerbar, d. h. ihr Vorrat ist irgendwann aufgebracht.
● Die Energie aus nicht-erneuerbaren Energieträgern (Sonne, Wind, Wasserkraft, Biomasse, Erdwärme bzw. Geothermie) fließt hingegen unbegrenzt nach!
● Energiewandler (z. B . Solarzellen, Muskeln ...) können Energie von einer Form in eine andere umwandeln.
Expertenwissen: Energieflussdiagramme
- Rechtecke = Energieumwandler (manchmal auch Energieträger)
- Pfeile = Energieformen
- Dicke der Pfeile: Menge der umgewandelten Energieform
- Waagerechte Pfeile = gut nutzbare Energieformen
- Pfeile nach unten = „Energieverluste“, das sind i. d. R. „Wärmeverluste“.
Expertenwissen: Wirkungsgrad
Bei einer Energieumwandlung entstehen immer Wärmeverluste.
Der Wirkungsgrad η (eta) gibt an, welcher Anteil der zugeführten Energie in nutzbare Energie umgewandelt wird: Wirkungsgrad η (eta) = Enutz/ Ezu.
Ein hoher Wirkungsgrad bedeutet eine hohe Effizienz.
- Wirkungsgrad eines Kohlekraftwerks: 33 MJ nutzbare elektrische Energie / 100 (MJ) zugeführte chemische Energie der Kohle = 0,33 = 33%
- Wirkungsgrad eines Wasserkraftwerks: 95 MJ nutzbare elektrische Energie / 100 (MJ) zugeführte kinetische Energie des Wassers = 0,95 = 95%
Energieträger • Fossile Energieträger, Arten von Energie [mit Video] (studyflix.de)
https://studyflix.de/ingenieurwissenschaften/energietrager-5084
Videotipp: Welche Energieformen gibt es? (Binogy.de)
https://www.youtube.com/watch?v=69iJPQx2YLc
Videotipp: Energieflussdiagramme - LEIFI physik
https://youtu.be/eB76sBmYpuY?t=256
Der Wirkungsgrad - Tine Schmidt
Energetik 02a/b/c -Basiswissen – a Energietransfer – b Energieträger – b Energiewandler
● An einem Energietransfer bzw. einer Energieumwandlung sind beteiligt: Energieformen („MESSI“), Energieträger und Energiewandler.
● Energiewandler (z. B . Solarzellen, Muskeln ...) sind technische oder biologische Systeme, die Energie von einer Form in eine andere umwandeln können.
● Energieträger sind Stoffe, die Energie in sich gespeichert haben
- Fossile Energieträger sind vor Millionen von Jahren aus toten Pflanzen und Tieren entstanden: Hierzu zählen Kohle, Erdgas und Erdöl (bei deren Verbrennung klimaschädliches Kohlenstoffdioxid CO2 entsteht).
- Fossile Energieträger sind nicht-erneuerbar, d. h. ihr Vorrat ist irgendwann aufgebracht.
- Die Energie aus nicht-erneuerbaren Energieträgern (Sonne, Wind, Wasserkraft, Biomasse, Erdwärme bzw. Geothermie) fließt hingegen unbegrenzt nach!
Einteilung der Energieträger:
Es wird oft zwischen fossilen und nicht-fossilen Energieträgern unterschieden.
● Fossile Energieträger sind in geologischer Vorzeit vor Millionen von Jahren aus Abbauprodukten von toten Pflanzen und Tieren entstanden.
Hierzu zählen: Kohle, Erdgas und Erdöl. Bei der Verbrennung fossiler Energieträger entsteht (neben anderen Schadstoffen) klimaschädliches Kohlenstoffdioxid CO2.
Zudem wird zwischen erneuerbaren (regenerativen) und nicht erneuerbaren Energien unterscheiden:
● Die fossilen Energieträger zählen zu den nicht-erneuerbaren Energieträgern.
Irgendwann wird der Vorrat an nicht erneuerbaren Energieträgern aufgebracht sein.
● Die Energie aus nicht-erneuerbaren Energieträgern (Sonne, Wind, Wasserkraft, Biomasse, Erdwärme bzw. Geothermie) fließt hingegen unbegrenzt immer wieder nach!
Manchmal unterscheidet man auch zwischen primären sekundären Energieträgern: Primäre Energieträger sind in der Natur zu finden (Kohle, Erdöl, Erdgas, Uran …) Sekundäre Energieträger sind in der Natur nicht zu finden, sie können aber durch Energieumwandlungsprozesse hergestellt werden können. Dazu zählen Kraftstoffe wie Benzin und Diesel (die aus Erdöl gewonnen werden), Wasserstoff aus solarbetriebenen Brennstoffzellen sowie Biogas aus Biogasanlagen.
● Energiewandler können Energie von einer Form in eine andere umwandeln, z. B.:
- einfache technische Geräte (Solarzellen, Turbinen, Generatoren, Batterien …)
- komplexere, aus mehreren Geräten bestehende technische Systeme (z. B. Kraftwerke) oder
- biologische Systeme (wie z. B. Muskeln).
Am Beispiel der Batterie erkennt man: Manchmal sind die Grenzen zwischen Energieträgern und Energiewandlern fließend. Eine Batterie kann als Energieträger, aber auch als Energiewandler betrachtet werden:
• Energieträger: Eine Batterie speichert Energie in Form von chemischer Energie.
• Energiewandler: Die Batterie wandelt die gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie um, wenn sie verwendet wird.
Energieträger • Fossile Energieträger, Arten von Energie [mit Video] (studyflix.de)
https://studyflix.de/ingenieurwissenschaften/energietrager-5084
Energetik 02b - Material - Energieträger im Überblick
Vgl. hierzu die folgende Quelle: Energieträger • Fossile Energieträger, Arten von Energie [mit Video] (studyflix.de)
https://studyflix.de/ingenieurwissenschaften/energietrager-5084
Energetik 02d – Expertenwissen - Energieflussdiagramme
In der Realität laufen oft mehrere Energietransfers bzw. Energieumwandlungen hintereinander ab, sie bilden eine „Energiewandlungkette“
Energieflussdiagramme stellen Energieumwandlungen bzw. Energieumwandlungs-Ketten grafisch dar.
Beispiel 1: Ein batteriebetriebener Kran auf Baustelle. In einer Batterie wird chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Diese elektrische Energie wird im Elektromotor in kinetische Energie (Bewegungsenergie) übertragen. Die kinetische Energie wird über einen Keilriemen auf eine Seilwinde übertragen und ein Gewicht hochgezogen. Die Seilwinde wandelt die kinetische Energie in potentielle Energie um. Das schwere Gewicht wird in die Höhe gezogen, seine potentielle Energie (Lagenenergie) nimmt zu.
Bei jeder Energieumwandlung wird ein Teil der Energie als Wärme entwertet.
- Die Energieumwandler (manchmal auch die Energieträger) werden als Rechtecke (Blöcke) dargestellt.
- Die einzelnen Energieformen werden als Pfeile dargestellt.
- Die Dicke der Pfeile verdeutlicht die Menge der umgewandelten Energieform.
- Waagerechte Pfeile stellen gut nutzbare Energieformen dar.
- Nach unten gerichtete Pfeile zeigen „Energieverluste“, das sind i. d. R. „Wärmeverluste“ (also Umwandlungen in schlecht nutzbare Wärmenergie).
Beispiel 2: In der Brennkammer eines Kohlekraftwerks wird die chemische Energie der Kohle in Wärmenergie umgewandelt. Die Wärmenergie („thermische Energie“) lässt Wasserdampf entstehen, der eine Turbine in Bewegung bringt. Ein Generator wandelt die kinetische Energie der Turbine in elektrische Energie um. Über Leitungen gelangt der Strom in dein Zimmer, wo die Lampe elektrische Energie in Strahlungsenergie des Lichts verwertet.
Vergleiche hierzu:
● Energieumwandlung • Energiewandler, Beispiele • [mit Video] (studyflix.de)
https://studyflix.de/ingenieurwissenschaften/energieumwandlung-3735
Energetik 02e – Expertenwissen - Wirkungsgrad
Energiewandler können nie die gesamte zugeführte Energie in eine gewünschte, nutzbare Energieform umwandeln.
Bei einer Energieumwandlung entstehen (durch Reibung oder elektrischen Widerstand) immer „Verlustenergien“, also Wärmeverluste.
Der Wirkungsgrad η (eta) gibt an, welcher Anteil der zugeführten Energie durch Energiewandler in nutzbare Energie umgewandelt wird.
Der Wirkungsgrad η (eta) wird berechnet, indem man die nutzbare Energie Enutz durch die zugeführte Energie Ezu teilt: Es gilt die Formel: η (eta) = Enutz/ Ezu
Der Wirkungsgrad hat keine Einheit, er wird häufig in Prozent (%) angegeben.
Der „Wirkungsgrad“ von Energieumwandlern sagt uns, wie effizient ein Energieumwandler arbeitet.
Ein hoher Wirkungsgrad von z.B. 0,9 (90 Prozent) bedeutet eine hohe Effizienz.
Vgl. hierzu die folgende Quelle: Wirkungsgrad • Formel, Berechnung ·[mit Video] (studyflix.de) https://studyflix.de/ingenieurwissenschaften/wirkungsgrad-3673
Der Wirkungsgrad - Tine Schmidt
Energetik 02e – Energieflussdiagramme und der Wirkungsgrad von Kohle- und Wasserkraftwerken
- Bei den Energieumwandlungen in einem Kohlekraftwerk werden 33 Prozent der zugeführten chemischen Energie der Kohle in nutzbaren Strom umgewandelt und ca. 66 Prozent Wärmenergie frei.
- In einem Wasserkraftwerk werden 95 Prozent der zugeführten kinetischen Energie des Wassers in nutzbaren Strom umgewandelt und ca. 5 Prozent Wärmenergie frei.
- Der Wirkungsgrad eines Energiewandlers berechnet sich nach:
Wirkungsgrad η (eta) = Enutz/ Ezu.
- Der Wirkungsgrad eines Kohlekraftwerks liegt bei:
33 MJ nutzbare elektrische Energie / 100 (MJ) zugeführte chemische Energie der Kohle = 0,33 = 33%
- Der Wirkungsgrad eines Wasserkraftwerks liegt bei:
95 MJ nutzbare elektrische Energie / 100 (MJ) zugeführte kinetische Energie des Wassers = 0,95 = 95%
- Der Wirkungsgrad eines Wasserkraftwerks ist deutlich höher als die eines Kohlekraftwerks. Ein Wasserkraftwerk ist damit effizienter als ein Kohlekraftwerk.
Woran liegt das? Wir sagten bereits:
„Energieverluste“ treten vor allem dann auf, wenn schwer nutzbare unordentliche Wärmeenergie entsteht.
Bei „Energieverlusten“ wird eine gut nutzbare geordnete Energieform in eine schlecht nutzbare ungeordnete Energieform umgewandelt.
Elektrische Energie ist eine leicht nutzbare Energieform mit einem geringen Maß an Unordnung. Die Elektronen fließen geordnet in eine Richtung.
Wärmeenergie ist eine schwer nutzbare Energieform mit einem sehr hohen Maß an Unordnung. Die Wärmebewegung der Teilchen erfolgt völlig ungeordnet.
Der Wirkungsgrad ist also dann gering, wenn viel „unordentliche“, schlecht nutzbare Wärmeenergie entsteht.
Es ist nämlich immer leichter, von Ordnung zu Unordnung zu kommen, als von Ordnung zu Ordnung zu Unordnung.
Videotipp: Welche Energieformen gibt es? (Binogy.de)