Energieumwandlung und globale Trends einfach erklärt: Wirkungsgrad

Hast du schon einmal bemerkt, dass dein Smartphone oder Laptop richtig heiß wird, wenn du ein aufwendiges Spiel spielst? Bei dem Thema Energieumwandlung und globale Trends spielt genau das eine wichtige Rolle.

Diese Hitze ist eigentlich Energie, die für das Spiel gar nicht genutzt wird! In dieser Lektion werden wir herausfinden, warum manche Geräte Energie viel besser nutzen als andere und was der sogenannte Wirkungsgrad damit zu tun hat. Außerdem werfen wir einen Blick auf das große Ganze: Wie verändert sich der weltweite Energieverbrauch und wie viele Windräder brauchen wir eigentlich, um ein riesiges Kohlekraftwerk zu ersetzen?

Vorwissen

• Energieentwertung: Bei jeder Energieumwandlung entsteht ungewollt thermische Energie (Abwärme). Die Energie ist nicht weg, aber für uns oft nicht mehr nutzbar.

  Beispiel: Eine Glühlampe wandelt elektrische Energie in Licht (Nutzenergie) und sehr viel Wärme (Abwärme) um.

• Prozentrechnung: Ein Prozent ($\%$) bedeutet „ein Hundertstel“.

  Beispiel: Wenn $50 \%$ der Energie genutzt werden, ist das genau die Hälfte.

Aufgabentyp 1: Kraftwerke vergleichen und umrechnen

Wenn wir uns mit Energieumwandlung und globale Trends beschäftigen, müssen wir verstehen, wie effizient Energie genutzt wird. Ein Energiewandler ist ein Gerät, das eine Energieform (die Endenergie) in die Energieform umwandelt, die wir eigentlich haben wollen (die Nutzenergie).

Leider arbeitet kein Gerät perfekt. Der Wirkungsgrad (abgekürzt mit dem griechischen Buchstaben $\eta$, sprich: Eta) gibt in Prozent an, wie viel der hineingesteckten Energie tatsächlich zu Nutzenergie wird. Der Rest geht als Abwärme an die Umgebung verloren.

Es gibt einen riesigen Unterschied zwischen verschiedenen Techniken:

• Elektrisch und Mechanisch (Super effizient): Wenn wir elektrische Energie in mechanische Energie umwandeln (oder umgekehrt), klappt das hervorragend. Ein Elektromotor oder ein Generator erreicht einen Wirkungsgrad von bis zu $96 \%$. Fast die gesamte Energie wird genutzt!

• Thermisch (Physikalisch begrenzt): Wenn wir jedoch thermische Energie (Wärme aus Verbrennung) in Bewegung oder Strom umwandeln wollen, stoßen wir an physikalische Grenzen. Ein Benzinmotor erreicht nur etwa $30 \%$ Wirkungsgrad, ein Dieselmotor $40 \%$ und eine riesige Dampfturbine im Kraftwerk $46 \%$. Mehr als die Hälfte der Energie verpufft als ungenutzte Abwärme.

Hier ist ein kurzer Überblick über die Wirkungsgrade bekannter Energiewandler:

• Glühlampe: $5 \%$
• Solarzelle: $20 \%$
• Benzinmotor: $30 \%$
• LED-Lampe: $35 \%$
• Dieselmotor: $40 \%$
• Dampfturbine: $46 \%$
• Elektromotor / Generator: $96 \%$

Weltweit ist der Energieverbrauch seit dem Zweiten Weltkrieg extrem angestiegen. Auch heute noch wird der Großteil (ca. $64 \%$ im Jahr 2017) durch fossile Brennstoffe wie Kohle, Öl und Gas gedeckt.

In Deutschland gibt es jedoch einen anderen Trend: Zwischen 1990 und 2019 ist der Energiebedarf um über $10 \%$ gesunken. Gleichzeitig gibt es eine deutliche Abkehr von Kohle- und Kernenergie hin zu erneuerbaren Energien (Windenergie, Photovoltaik, Biomasse, Wasserkraft und Gezeitenenergie).

Um den Energieverbrauch von ganzen Ländern zu beschreiben, reichen unsere normalen Einheiten wie Joule (J) oder Wattstunden (Wh) nicht aus. Wir brauchen große Vorsilben (Präfixe):

• Giga (G): Milliarden ($10^{9}$). Beispiel: Gigawattstunden (GWh).
• Tera (T): Billionen ($10^{12}$). Beispiel: Terawattstunden (TWh). Es gilt: $1 \text{ TWh} = 1000 \text{ GWh}$.
• Peta (P): Billiarden ($10^{15}$). Beispiel: $1 \text{ PJ} = 10^{15} \text{ J}$.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

Wenn wir berechnen wollen, wie viele kleine Anlagen (z. B. Windräder) ein großes Kraftwerk ersetzen, gehen wir so vor:

1. Werte und Einheiten identifizieren: Notiere die erzeugte Energie der kleinen Anlage und des großen Kraftwerks.
2. Auf die gleiche Einheit umrechnen: Oft sind die Werte in GWh und TWh angegeben. Rechne den größeren Wert um: $1 \text{ TWh} = 1000 \text{ GWh}$.
3. Anzahl berechnen: Teile die Gesamtenergie des großen Kraftwerks durch die Energie der einzelnen kleinen Anlage.
4. Ergebnis runden: Da es keine halben Windräder gibt, runden wir das Ergebnis auf ganze Zahlen.

Durchgerechnete Beispiele

Beispiel 0

Aufgabe

Eine Windkraftanlage mit einer Leistung von $3 \text{ MW}$ erzeugt durchschnittlich $7 \text{ GWh}$ elektrische Energie pro Jahr. Das Kohlekraftwerk Neurath erzeugt insgesamt etwa $30 \text{ TWh}$ pro Jahr. Berechne, wie viele dieser Windkraftanlagen notwendig wären, um genau die gleiche Menge an elektrischer Energie wie das Kohlekraftwerk zu erzeugen.

Lösung Schritt für Schritt

Fortschritt

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   Schritt 1
   Werte und Einheiten identifizieren

   Gegeben: Energie eines Windrads = $7 \text{ GWh}$ Energie des Kohlekraftwerks = $30 \text{ TWh}$

   Gesucht: Anzahl der Windräder

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   Schritt 2
   Auf die gleiche Einheit umrechnen

   Wir müssen Terawattstunden (TWh) in Gigawattstunden (GWh) umwandeln, damit wir die Zahlen teilen können.

   $1 \text{ TWh} = 1000 \text{ GWh}$

   $30 \text{ TWh} = 30 \cdot 1000 \text{ GWh} = 30000 \text{ GWh}$

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   Schritt 3
   Anzahl berechnen

   Wir teilen die Gesamtenergie durch die Energie eines einzelnen Windrads:

   $\text{Anzahl} = \frac{30000 \text{ GWh}}{7 \text{ GWh}}$

   $\text{Anzahl} \approx 4285.7$

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   Schritt 4 · Ergebnis
   Ergebnis runden

   Man bräuchte etwa $4286$ Windkraftanlagen, um die jährliche elektrische Energie des Kohlekraftwerks Neurath zu ersetzen.

   Realitätscheck: Die Zahl ist sehr groß, was physikalisch Sinn ergibt, da ein einziges Kohlekraftwerk riesige Mengen an Energie liefert und Windräder im Vergleich dazu viel kleinere Einheiten sind.

Ergebnis:

Man bräuchte etwa 4286 Windkraftanlagen, um die jährliche elektrische Energie des Kohlekraftwerks Neurath zu ersetzen.

Wichtige Erkenntnisse

• Der Wirkungsgrad ($\eta$) gibt an, wie viel Prozent der eingesetzten Energie tatsächlich als Nutzenergie zur Verfügung steht.

• Elektromotoren und Generatoren haben einen sehr hohen Wirkungsgrad (bis zu $96 \%$).

• Thermische Wandler (wie Benzinmotoren oder Dampfturbinen) haben einen viel niedrigeren Wirkungsgrad, da physikalisch bedingt viel Energie als Abwärme verloren geht.

• Für große Energiemengen nutzen wir Präfixe: Giga (G) für Milliarden ($10^{9}$), Tera (T) für Billionen ($10^{12}$) und Peta (P) für Billiarden ($10^{15}$).