Was ist Exergie, was ist Anergie?

Conny hat neulich einen überaus spannenden Artikel veröffentlicht: Den hier. Darin geht es um die Frage, ob man die von einer Photovoltaik-Anlage auch produzierte Wärme zum Heizen abgreifen kann. Eine Frage, die für Diskussionsstoff sorgte. Wer die Antwort wissen will, liest natürlich erst mal bei Conny weiter. In der Diskussion fielen auch die Begriffe Exergie und Anergie und ob wir davon nichts verstünden – um diesen Vorwurf erstmal aus der Welt zu schaffen, hier die Erklärung. 

Ausgangspunkt ist der bekannte Begriff Energie. Energie wird häufig als die Fähigkeit beschrieben, Arbeit zu verrichten. Es gilt zudem, dass die Energie eines abgeschlossenen Systems, also ohne Wechselwirkung mit seiner Umgebung (sozusagen isoliert), weder vermehrt noch verringert werden kann.

Exergie kann schwinden

Mit dem Begriff Exergie wird nun der Teil der Gesamtenergie eines Systems bezeichnet, der dann Arbeit verrichten kann, wenn es in ein sogenanntes thermodynamisches Gleichgewicht mit seiner Umgebung gebracht wird. Das thermodynamische Gleichgewicht meint hierbei sowohl ein thermisches und mechanisches als auch ein chemisches.

Das klingt sehr trocken, oder? Tut mir leid, muss aber sein.

Zu merken ist, dass Exergie eine physikalische Größe ist, die das System in Verbindung zu seiner Umgebung betrachtet: Es ist dann nämlich das Potential zwischen dem Zustand der Umgebung und dem eigenen Zustand des Systems.

Vergleicht man Exergie mit Energie muss man festhalten, dass Exergie anders als Energie sehr wohl vermindert, ja sogar vernichtet werden kann. Während Energie demnach eine sogenannte Erhaltungsgröße ist, ist Exergie das nicht. Denn: Exergie wird in Anergie umgewandelt. Häufig sieht man also die Gleichung:

Energie = Exergie + Anergie

Mit den beiden Begriffen Exergie und Anergie lassen sich zwei grundlegende Theorien der Thermodynamik beschreiben: die beiden sogenannten Hauptsätze der Thermodynamik, die ich hier der Vollständigkeit aufführe, weil wir sie gleich brauchen, um die trockene Theorie praktischer zu diskutieren.

Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik (Energiesatz) lautet: In einem abgeschlossenen System bleibt bei reversiblen und irreversiblen Prozessen die Summe aus Exergie und Anergie konstant.

Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik (Entropiesatz) lautet: In einem abgeschlossenen System bleiben bei reversiblen Prozessen Exergie und Anergie jeweils konstant. Bei irreversiblen Prozessen wird Exergie in Anergie umgewandelt. Anergie kann nicht in Exergie umgewandelt werden.

So, nun aber ab in die Praxis! Wenn die besagte Energieform in Anergie umgewandelt werden kann, wo geschieht das beispielsweise?

Energie kommt bekanntlich in verschiedenen Formen vor. Die Umwandlung einer Energieform in die andere ist nicht immer zu 100 Prozent möglich. Mechanische oder elektrische Energien beispielsweise lassen sich komplett umwandeln, etwa in Wärme. Wärme hingegen nicht. Denn das Umwandeln von Wärme in mechanische oder elektrische Energie ist unvollständig: Je kleiner das verfügbare Temperaturgefälle ist, desto höher ist der Energieverlust. Das liegt daran, dass mechanische und elektrische Energie reine Exergie sind. Wärme nicht. Sie zählt je nach Temperaturniveau in Bezug auf die Umgebung, zum Beispiel die Temperatur der Außenluft oder des Kellerraums, in dem der Pufferspeicher steht, als mehr oder weniger Exergie.

Dabei unterscheidet man verschiedene „Temperaturgefälle“:

1. Das System ist sehr viel wärmer als die Umgebung (Hochtemperaturwärme). Beispiel: ein schlecht gedämmter Pufferspeicher im Keller. Er besitzt einen hohen Exergie-Anteil. Die Wärmeenergie, die er an den Raum abgibt, geht zwar nicht verloren (siehe meinen Artikel zur Dämmung, da sie ja dem Gebäude an sich zu Gute kommt), aber seine Exergie nimmt ab. Mit dem Nachfüllen sonnenerwärmten Wassers und / oder Nachheizen wird wieder Exergie (zusätzliche) zugeführt, damit das gespeicherte Wasser auf gleichem Temperaturniveau bleibt.
2. Das System hat eine Temperatur, die nahe der Umgebungstemperatur ist (Niedertemperaturwärme). Beispiel: ein gut gedämmter Pufferspeicher im Keller. Der Exergie-Anteil ist hier gering.
3. Das System ist kälter als die Umgebung (Kälte). Beispiel: ein Eiswürfel in der zimmerwarmen Brause. Auch hier ist der Exergie-Anteil wieder höher.

Spannend in diesem Zusammenhang ist die Exergie chemischer Energieformen: Kohle, Gas, Öl, Benzin & Co. bestehen zum Großteil daraus. Der Verlust an eben jener, der beim Verbrennen solcher Rohstoffe geschieht, beeinflusst maßgeblich die Energieeffizienz des Gesamtsystems, also beispielsweise des Heizkessels, der mit Kohle, Gas oder Öl befeuert wird. Doch dazu in einem weiteren Artikel mehr, wo wir dann auch das spannende Thema Photovoltaik und Solarthermie im Zusammenhang mit Exergie und Anergie angehen!

Foto: stocksnapper / photocase