1 Einleitung. Der 2. Hauptsatz formuliert die Grenzen der Energiewandlung und beschreibt, welche Wandlungsprozesse. Abb. 1: Energieumwandlungskette 2

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1 1 Einleitung Hauptaufgabe der Technischen Thermodynamik ist die Untersuchung und Beschreibung der Energieumwandlungsprozesse. Sie zeigt die Grenzen im Wirkungsgrad auf und ermöglicht mit ihren Gesetzen und Gleichungen den Vergleich der reversiblen (umkehrbaren) Prozesse zu den irreversiblen (nichtumkehrbaren) Prozessen. Dadurch wird die Güte der natürlichen (irreversiblen) Prozesse erkennbar. Die Technische Thermodynamik analysiert die verschiedenen Erscheinungsformen der Energie und beschreibt deren Verknüpfung in Energiebilanzgleichungen. Sie bilden die Grundlagen für die Berechnung der Energiewandlungsanlagen. Die Fundamente der Technischen Thermodynamik sind der 1. und der 2. Hauptsatz. Der 1. Hauptsatz ist der Energieerhaltungssatz. Er besagt, dass Energie weder erzeugt noch vernichtet werden kann. Energie ist wandelbar in ihren verschiedenen Erscheinungsformen. Der 2. Hauptsatz formuliert die Grenzen der Energiewandlung und beschreibt, welche Wandlungsprozesse überhaupt nur möglich sind. 12 Abb. 1: Energieumwandlungskette 2 1. Geller: Thermodynamik für Maschinenbauer, Springer-Verlag Berlin Langeheinecke: Thermodynamik für Ingenieure, Vieweg-Verlag Braunschweig

2 In der Energieumwandlungskette zeigt sich sowohl der 1. Hauptsatz in der Erhaltung der Energie, als auch der 2. Hauptsatz durch die begrenzte Umwandelbarkeit der zugeführten Wärme in Arbeit. 1.1 Umwandlungsverfahren der erschöpflichen und unerschöpflichen Primärenergien Der prognostizierte Weltenergieverbrauch nach Abb. 2 zeigt die Primärenergieanteile bis zum Jahre Man erkennt daraus eine Beschleunigung des Energieverbrauchs. Abb. 2: Weltenergieverbrauch nach einer Shell-Studie 1 Aus Abb. 3 ersieht man die Lebenszyklen der Energiequellen. Abb. 3: Lebenszyklen von Energiequellen 1 (Shell-Studie) 1. VDI-Magazin 26/2000, VDI-Verlag Düsseldorf 2

3 Die von der Natur gelieferten Energien bezeichnet man zusammenfassend als Primärenergie. Sie werden unterteilt: Erschöpfliche Primärenergien Das sind die fossilen Energieträger Kohle, Erdgas, Erdöl und Kernenergie. Ihr Vorrat ist begrenzt und ihr Abbau führt zur Erschöpfung derselben. Abb. 4: Umwandlungsverfahren der erschöpflichen Primärenergie Die in Abb. 4 dargestellte Umwandlung der fossilen oder chemischen Brennstoffe in Nutzenenergie hat Vor- und Nachteile. Vorteile: Die Verbrennung zählt zu den leicht beherrschbaren Prozessen mit hohen Verbrennungstemperaturen im Vergleich z.b. mit der Biomasse Holz. Der Zugang zu den Vorräten ist relativ leicht. Nachteile: Der Vorrat ist begrenzt. Durch die ungleichmäßige Verteilung auf der Erde besteht eine risikoreiche Importabhängigkeit. Umweltbelastung durch die Verbrennungsprodukte Stickstoffoxid, Schwefeldioxid und Staub; hier müssen aufwendige Maßnahmen wie Entstickung, Entschwefelung und Filterung ergriffen werden, um die Emissionen dieser umweltschädigenden Stoffe in Grenzen zu halten. Größtes Problem ist das bei der Verbrennung entstehende Kohlendioxid (CO 2 ), das zu einem stetig ansteigenden CO 2 -Gehalt der Atmosphäre führt, wodurch die Abstrahlung der Erdwärme in den Weltraum reduziert wird; dieser so genannte Treibhauseffekt dessen ist man sich heute sicher verursacht globale Klimaschäden, deren Folgen heute 3

4 noch nicht absehbar sind. Die Verringerung der CO 2 -Emissionen ist eine der großen Herausforderungen unserer Zeit. In Abb. 4 ist auch die Umwandlung der nuklearen Energie in elektrische Energie dargestellt. Vorteile: Hohe Energiedichte des Kernbrennstoffs im Vergleich z.b. zur Steinkohle, deren spezifischer Heizwert ca ist; die Energiedichte liegt beim Kernbrennstoff ca kwh kg mal höher. Keine Emission von Stickoxiden, Schwefeldioxiden, Staub und Kohlendioxid. Nachteile: Gefährdung durch radioaktive Strahlung, die durch aufwendige Sicherheitsmaßnahmen niedrig gehalten werden muss, damit bei einem Unfall keine radioaktiven Substanzen in gefährlichen Mengen aus dem Reaktor austreten können. Die Weiterverarbeitung und Endlagerung abgebrannter Spaltelemente stellt ein hohes Gefahrenpotenzial dar; auch hier ist eine aufwendige Sicherheitstechnik erforderlich Unerschöpfliche Primärenergien Abb. 5: Umwandlungsverfahren der unerschöpflichen Primärenergie a) Der wichtigste regenerierbare Energieträger ist die Sonne. Als Folge der auf die Erde auftreffenden Solarenergie unterscheidet man: die primäre thermische (Kollektoren) und elektrische (Photovoltaik) Solarnutzung, die sekundäre Solarnutzung als Wasser-, Wind-, Meereswellen-, Meeresströmungsenergie; die Temperaturschichtung des Seewassers sowie organisch nachwachsende biogene Stoffe wie Biobrennstoffe, Holz, Stroh, Schilf, Pflanzenabfälle, Biokraftstoffe etc. 4

5 b) Geothermische Energie: Die im Erdinneren gespeicherte Wärmeenergie steht im großen Umfang als Primärenergie zur Verfügung. c) Gezeitenenergie Diese entsteht durch die Drehbewegung der Erde in Verbindung mit der Massenanziehung zwischen unserem Planeten und den Gestirnen. Gleichzeitig bilden sich Kraftfelder zwischen Erde und Mond sowie Erde und Sonne, die sich durch Ebbe und Flut äußern. In Abb. 5 sind schematisch die heute bekannten Verfahren der Energieumwandlung der unerschöpflichen Primärenergieträger in Wärme, Nutzarbeit und elektrische Energie aufgezeigt Utopische Energiequellen Bei der Fusion (Atomkernverschmelzung von Wasserstoffatomen zu Heliumkernen), deren Technologie bis heute noch nicht (kontrollierbar) realisierbar ist, wäre der in den Ozeanen enthaltene Wasserstoffvorrat unendlich groß, so dass dies eine unerschöpfliche Energiequelle wäre. 1.2 Problem der vorhandenen Systeme Allen Energieträgern erschöpflichen und unerschöpflichen ist die Entwertung der Energie durch Dissipation gemeinsam. Der gravierende Unterschied bei der Energieumwandlung ist jedoch, a) dass bei den erschöpflichen Primärenergieträgern (in Jahrmillionen aufkonzentrierte Sonnenenergie) die Dissipation letztlich Energieverlust bedeutet und verloren ist (irreversibel), b) während bei den unerschöpflichen Primärenergieträgern wohl die Dissipation, und damit der Energieverlust gleich, jedoch im erweiterten Sinne reversibel ist. Wie bereits erwähnt, erfolgt die Primärenergieumwandlung (bei den erschöpflichen) in Nutzenergie vorwiegend durch Verbrennung mit Umweltbelastungen als Folge. Die nach menschlichen Zeitmaßstäben unerschöpflichen regenerativen Energieträger müssen langfristig die fossilen Energieträger substituieren und in einer Übergangsphase einen Energiemix aus beiden darstellen, um den Energiebedarf einer wachsenden Weltbevölkerung, die Verhinderung einer zunehmenden Verschmutzung der Atmosphäre und das Stoppen der Erderwärmung mit ihren Klimafolgen zu erwirken. Es ist jedoch eine Illusion zu glauben, dass der Weg zur Nutzung der Sonnenenergie schnell zu beschreiten sei. Beschränkungen bestehen aufgrund der gewachsenen Strukturen, dem Wettbewerb der fossilen Energien und nicht zuletzt durch thermodynamische Gegebenheiten. 5