Effizienz und Exergie von fossilen Brenn- und Kraftstoffen

Wie neulich in dem zugegeben sehr theoretischen Beitrag zu  Exergie und Anergie bereits angekündigt, will ich hier noch einmal konkreter auf die Exergie fossiler Brenn- und Kraftstoffe eingehen, die beispielsweise zum Heizen verwendet werden: Denn der energetische Wirkungsgrad ist nicht gleich dem exergetischen Wirkungsgrad

Betrachtet man die Wärme, die einen umgibt, also die der Luft um einen herum beispielsweise, muss man aus energetischer Sicht festhalten, dass diese Umgebungswärme komplett frei von Exergie ist. Zur Erinnerung: Exergie ist Energie in einer hochwertigen Form, die mechanische Arbeit leisten kann. Außenluft hat keine Exergie? Nein. Nehmen wir einen kalten Wintertag: Dann ließe sich die Außenluft beispielsweise nur mit Hilfe einer Wärmepumpe abkühlen, wobei man die ihr entzogene Wärme dank ihrer höheren Temperatur sehr wohl in eine Heizungsanlage einspeisen könnte. Doch der Betrieb der Wärmepumpe erfordert seinerseits Exergie. Ohne zusätzliche Zufuhr von Exergie, also quasi freiwillig und ohne Kosten zu verursachen, würde die Wärme nicht von der Außenluft in ein Haus, das einerseits wärmer und andererseits zu beheizen ist, fließen. Die Wärme der Umgebung, die man nur zum Heizen nehmen kann, wenn man weitere Exergie nutzt, wird laut RP-Energie-Lexikon auch als Anergie bezeichnet. Auch hier zur Erinnerung: Anergie ist demnach Energie, die keine Art von Arbeit verrichten kann. Sie ist zwar gratis (man bezahlt nicht für sie) – aber: Um sie zu nutzen, ist die Zufuhr von Exergie (für die man bezahlt) vonnöten.

Auch den folgenden Zusammenhang muss man im Hinterkopf haben, wenn man die energetische Effizienz von fossilen Brenn- und Kraftstoffen verstehen will. Wenn Wärme von einem warmen zu einem kalten Körper geleitet wird, geht keine Energie verloren. Aber: Die Exergie wird dabei vermindert, da die Wärme auf eine geringere Temperatur gebracht wird.

Die chemische Energie in fossilen Brenn- und Kraftstoffen ist Großteils Exergie. Denn sie lässt sich in Wärme mit hoher Temperatur umwandeln. Aber: Wird Heizöl in einem Heizkessel verbrannt, entsteht nur Niedertemperaturwärme. Dem oben erwähnten Lexikon zufolge „verliert man im Heizkessel den Großteil der Exergie“, selbst dann, wenn die eigentliche Wärmegewinnung nahezu ohne Verluste geschieht, die gewonnene Wärmemenge also fast genauso groß ist wie die an eingesetzter chemischer Energie. Was für die chemische Energie gilt, gilt ähnlich auch für die nukleare in Kernbrennstoffen, zum Beispiel Uran.

Nur schnell nebenbei die Antwort auf die Frage: Und was ist mit Sonnenlicht? Der Anteil an Exergie in sichtbarem Licht ist hoch. Er könnte im Grunde mit sehr hohem Wirkungsgrad in elektrische Energie (Photovoltaik) gewandelt werden.

Zur Effizienz: Exergie ist im Unterschied zu Energie keine Erhaltungsgröße. Das heißt: Exergie geht bei vielen Prozessen verloren. Sie kann nicht mehr werden, es sei denn, man führt von außen weitere Exergie hinzu. Eine elektrische Heizung oder ein Heizkessel, die entweder elektrische Energie (Strom) oder chemische Energie (Brennstoffe) in Niedertemperaturen umwandeln, sind Systeme, die viel Exergie verlieren. Selbst wenn bei der Umwandlung von elektrischer oder chemischer Energie in Wärmeenergie kaum Energie verloren geht, so ist das Gesamtsystem dennoch ineffizienter als eins, das keine oder kaum Exergie verliert. Anders ausgedrückt: Bei der Betrachtung der Effizienz von Systemen kommt es nicht nur auf einen hohen energetischen sondern auch exergetischen Wirkungsgrad an. Denn die verlorene Exergie stellt einen Verlust an Möglichkeiten dar, weitere Energieumwandlungen oder – Nutzungen zu vollziehen.

Das RP-Energie-Lexikon liefert bei aller Theorie auch eine praktische Erklärung zum besseren Verständnis des bislang recht trockenen Stoffs, die ich hier gerne aufgreife:

Thermodynamisch optimiertes Heizen

Auch wenn es möglich ist, die elektrische Energie einer Elektroheizung mit einem energetischen Wirkungsgrad von nahezu 100 Prozent in Niedertemperaturwärme umzuwandeln, so ist der entsprechende exergetische Wirkungsgrad des Systems sehr gering. Denn schon im Kraftwerk geht ein Großteil der Exergie verloren, wenn sie aus Wärme, die wiederum beim Verbrennen fossiler Brennstoffe entsteht, gewonnen wird. Das ist ineffizient. Denn man gewinnt dabei bei Hinnahme hoher Verluste, die später nicht genutzt werden. Der größte Verlust an exergetischer Energie findet in der Elektroheizung statt, nicht im Kraftwerk, wohlgemerkt.

Auch der mit dem fossilen Brennstoff Erdgas betriebene Heizkessel vernichtet dessen Exergie Großteils.

Welche Alternative gibt es?

Man könnte Wärme zum Beispiel dann effizienter erzeugen, wenn man laut RP-Energie-Lexikon die Exergie des fossilen Brennstoffs zum Erzeugen von Strom mit höchstmöglichem elektrischem Wirkungsgrad und gleichzeitig die verbleibende Wärme nutzt, also Kraft und Wärme koppelt (Kraft-Wärme-Kopplung, kurz: KWK). Der Strom betreibt in solch einem Beispiel eine Wärmepumpe, so dass die insgesamt erhaltene Wärmeenergie höher als die vom Brennstoff stammende Energie ist. Das funktioniere demnach dann besonders effizient, wenn die Heizungsanlage mi geringer Vorlauftemperatur betrieben werde, so dass das Heizsystem nur wenig Exergie brauche. Obwohl in diesem Beispiel sowohl im Kraftwerk als auch in der Wärmepumpe diese Form der Energie verloren ginge, könne man mit solch einem thermodynamisch optimierten Heizen Energie sparen. Und darum geht’s uns ja.

Das Beispiel greife ich demnächst noch einmal auf, wenn ich die Theorie hier näher beleuchte, die hinter dem Konzept Thermodynamisch optimiertes Heizen steht.

Foto: Manuel_07 / photocase