Exergie und Entropie in technischen und natiirlichen Systemen

Bereits in Abschn. 1.2 wurde der Begriff der Exergie als besonders anschauliches Mafi fiir die Qualitat einer Energiequelle eingefiihrt. Exergie ist der Anteil an Energie, der von einer Energieform in eine andere Energieform umwandelbar ist. Manche Umwandlungen sind nahezu vollstandig, andere dagegen prinzipiell nur unvollstandig moglich. Hinter dieser Tatsache verbirgt sich der 2. Hauptsatz der Thermodynamik, der die moglichen Energieumwandlungen in einer gewissen Weise hierarchisch ordnet (Bild 6). Wie in Abschn. 2.1.4 erlautert, besteht zwischen mechani – scher und thermischer Energie ein wesentlicher Unterschied. Mechani – sche Energie verhalt sich reversibel und ist damit beliebig in andere Energieformen umwandelbar. Dagegen verhalt sich thermische Energie irreversibel und kann somit nicht beliebig in andere Energieformen iiberfiihrt werden. Im Fall der rein mechanischen Energietechnik (Wasser – kraft, Windkraft) bleibt deshalb die Entropie stets unverandert (S = const) und kommt deshalb auch gar nicht in unseren Uberlegungen in den Abschn. 2.1.1 und 2.1.2 vor. Dies ist auch zutreffend fur den hydraulischen Anteil des in Abschn. 2.1.3 behandelten Aufwindkraftwerks. Ganz anders ist die Situation im Fall der thermischen Energietechnik. Durch die mit

der Verbrennung oder auch Kernspaltung bewirkte thermische Energie – zufuhr kommt es entsprechend unseren Grunduberlegungen in Abschn.

2.1

.4, die zur Formulierung des 2. Hauptsatzes fuhrten, zu einer drasti – schen Entropieanderung, die nur eine Entropieerhohung A S > 0 sein kann. Diese Erhohung mufi beseitigt werden, um einen stationaren Fliefiprozefi erreichen zu konnen. Und dies ist nach dem 2. Hauptsatz nur moglich durch Warmeabgabe. Findet die Warmeabgabe auf gleichem Temperaturniveau wie die Warmezufuhr statt, kann dem Fliefi – oder Kreisprozefi keine mechanische Energie entnommen werden. In diesem Fall handelt es sich etwa um eine Heizung oder ein Heizwerk. Findet dagegen die Warmezufuhr auf einem gegeniiber der Warmeabfuhr erhoh – ten Temperaturniveau statt, kann der Warmeenergie auch mechanische Energie entzogen werden. Dies zeigt uns, dafi die Wertigkeit von Warme­energie temperaturabhangig ist, und somit auch die maximal mogliche Entnahme an mechanischer Energie temperaturabhangig sein mufi, die durch den Carnotschen Wirkungsgrad als Qualitatsmerkmal fiir die ver – wendete Warmequelle beschrieben wird. Soil einzig und allein mechani­sche Energie zur Stromerzeugung bereitgestellt werden, mufi niederwer – tige Warmeenergie als thermischer Abfall an die Umgebung abgegeben werden. Der Exergiegehalt der Warmequelle kann somit nur ein Bruchteil der Gesamtheizenergie sein. Im Sonderfall des Heizwerks findet dagegen gar keine Energieumwandlung statt. Es wird lediglich Warmeenergie transportiert. Die Gesamtheizenergie wird genutzt. Der Exergiegehalt der Warmequelle ist somit vollstandig. Dies zeigt uns, dafi der Exergiegehalt bzw. das Verhaltnis von Exergie zu Anergie auch vom Anwendungsfall abhangig ist. Fiir mogliche Energienutzungen ist dies in Bild 82 anschau – lich dargestellt, das die in Bild 6 vorweggenommene hierarchische Ord- nung der unterschiedlichen Energieformen prazisiert.

Bild 82 Qualitative Darstellung der Ex/An-Verhaltnisse moglicher Energienutzungen mit und ohne Anderung der Energieform

Betrachten wir beispielhaft die Energieumwandlung von mechanischer Energie in Warmeenergie, erkennen wir aus der Vollstandigkeit der Umwandlung, dafi die hierbei genutzte Energiequelle das Hochstmafi an Exergie besitzt. Da mit der Energieumwandlung in Warme zwangslaufig die Entropie ansteigt (2. HS -> dS > 0, Bild 82), mufi die Warmequelle selbst von niedriger Entropie sein. Dem hohen Exergiegehalt ist also eine niedri – ge Entropie zugeordnet Exergie und Entropie sind demnach zueinander reziproke Mafistabe zur Beurteilung von Energieumwandlungen. Soli umgekehrt Warmeenergie in mechanische Energie umgewandelt werden, mufi die Entropie verringert werden, denn mechanische Energie ist von niederer Entropie als Warmeenergie. Ein Warmekraftwerk mufi deshalb seine Umgebung durch thermischen Abfall belasten, um mechanische Energie niederer Entropie bereitstellen zu konnen. Wir wollen nun im folgenden zeigen, dafi diese Situation nicht nur fur technische, sondern auch fur alle natiirlichen Systeme typisch ist. Dazu erinnern wir uns, dafi die Entropie auch ein Mafi fur Ordnung bzw. Unordnung eines Systems ist. Etwa ein Gas ist bei niederer Temperatur (kinetische Gastheorie) geordneter als bei einer hohen Temperatur. Die zugehorige Entropie ist deshalb bei der niederen Temperatur kleiner als bei hoher Temperatur. Der Aufbau von Ordnung und Strukturen ist demnach immer mit einer Entropieerniedrigung verbunden, die nur auf Kosten der Umgebung stattfinden kann [9]. So verringern auch lebende Organismen beim Aufbau hochorganisierter Strukturen biologischen Materials ihre Entropie und belasten mit den dabei entstehenden Abfall prod uk ten hoher Entropie ihre Umwelt. Allerdings laufen die dies bewirkende Prozesse bei konstanter Temperatur ab und unterliegen nicht dem Carnotschen Prinzip der Technik. Leben schafft sich somit innere Ordnung auf Kosten der Ord­nung der Umgebung. Organisation jeglicher Art, etwa charakterisiert durch den Organisationsgrad G, ist demnach in einem System nur durch Entropieerniedrigung d S < 0 in seinem Inneren zu verwirklichen, die gleichzeitig durch Abfallprodukte eine Entropieerhohung d S > 0 der Umwelt zur Folge hat (Bild 83).

Bild 83 Organisation eines Systems und dessen Verknupfung mit seiner Umgebung.

Angewendet auf unser technisches Ausgangsproblem bedeutet dies, dafi der gegeniiber der Warmeenergie hoher e Organisationsgrad der mechani – schen Energie nur durch Entropieerniedrigung im System Warmekraft- werk zu erreichen ist, die zwangslaufig zur Produktion thermischen Ab – falls hoher Entropie fiihrt, der die Umwelt belastet.

Betrachten wir das bereits in Abschn. 13 behandelte Zusammenspiel zwischen Sonne, Erde und Weltraum, Bild 84, wird unsere universelle Vorstellung bestatigt.

Bild 84 Zusammenspiel Sonne, Erde und Weltraum als Voraussetzung fiir Leben auf der Erde

Die von der Sonne her auf die Erde einfallenden Photonen (Licht) besitzen eine niedrige Entropie bzw. eine hohe Exergie (s. a. Abschn. 2.1.5). Die Erde und alle sie bewohnenden Lebewesen speichern diese ein – gestrahle Energie nicht. Diese wird wieder abgestrahlt. Die Abstrahlung findet jedoch in einer anderen Energieform statt. Diese fiir das thermische Gleichgewicht der Erde (s. Abschn. 1.3) so wichtige Abstrahlung wird liber niederenergetische Infrarot-Photonen (Warmestrahlung) mit ent – sprechend hoher Entropie bewerkstelligt. Die so existente Entropie- differenz A S < 0 zwischen dem einfallenden Sonnenlicht niederer Entropie und der abgestrahlten Warme hoher Entropie ist letztlich die

Grundlage alien Lebens, die es erlaubt, hochorganisierte Strukturen organischen Materials bis hin zum Menschen aufzubauen. Der Abfall in Form der Infrarot-Photonen wird vom Weltraum entsorgt

Diese zunachst rein energetischen Betrachtungen lassen sich aber auch auf andere Bereiche unseres Lebens iibertragen. So entsteht etwa bei der Produktion eines Autos, das einen hoheren Grad an organisierter Materie als seine Umgebung aufweist, zwangslaufig Abfall, der die Umwelt belastet. Offensichtlich existiert hier eine Analogie, die die Abfallwirtschaft mit der Energiewirtschaft verkniipft.

Die von den Aktivitaten der Menschen ausgehenden Umweltbeein – flussungen sind aufierst komplex. Es existiert eine sowohl quantitativ als auch qualitativ nicht iiberschaubare Vielzahl an anthropogenen Emis – sionen, die auf ein extrem vemetztes System Umwelt einwirken, das in verstarkter Mannigfaltigkeit hierauf reagiert und Riickwirkungen pro – duziert. Gliicklicherweise sind nicht alle Riickwirkungen lebens – bedrohend. Eine Einschrankung auf die Klasse der wirklich gefahrlichen Emission erscheint sinnvoll, wobei wir aber vorab wissen miissen, welche Emissionen gefahrliche Riickwirkungen erzeugen. Dieses Voraberkennen ist aber in der Regel nicht moglich, denn wir finden im allgemeinen nur das, nach dem wir suchen. Es mufi also zumindest schon ein Verdacht bestehen, der gewohnlich aber erst dann aufkommt, wenn die entspre – chende Riickwirkung bereits eine Gefahrensituation erzeugt hat. Trotz dieser Schwierigkeiten versuchen wir im folgenden eine umweltrelevante Klassifikation unterschiedlicher Energie-Systeme, nicht zuletzt deshalb, um die im allgemeinen un fiber win dlichen Schwierigkeiten aufzeigen zu konnen, die sich bei der Bereitstellung derartiger Beurteilungskriterien typischerweise ergeben.