Hintergrundwissen zum Thema Energie: Entropie und Exergie

Um die Probleme rund um Energieversorgung / Energiewende und damit zusammenhängend des Wachstums™ verstehen zu können, muss man sich mit den physikalischen Grundlagen beschäftigen. Naturwissenschaftler sollten mit dem Konzept von Entropie vertraut sein, für diese ist der Beitrag nur als Auffrischung zu verstehen.

Um uns den Begriffen Entropie und Exergie zu nähern, schauen wir uns die zwei Hauptsätze der Thermodynamik an. Keine Sorge, die sind nur Mittel zum Zweck 🙂

Von Energie wissen wir – entgegen des landläufigen Sprachgebrauchs – dass sie sich nicht „verbraucht“, sondern nur umgewandelt wird, z.B. in mechanische Arbeit und Wärme. Nichts anderes besagt der sog. Energieerhaltungssatz (1. Hauptsatz der Thermodynamik). Nutzbar machen in Form (elektro-mechanischer) Arbeit lässt sich Energie jedoch nur unter Ausnutzung einer Potentialdifferenz. Die riesige in den Weltmeeren gespeicherte Energie (in Form von Wärme und potentieller Energie) lässt sich nicht nutzbar machen, da sie bei Umgebungstemperatur und auf Höhe Normalnull vorliegt. Wasser fließt nun mal nur den Berg herunter und spontan wird es auch nicht wärmer werden. Das ist im Prinzip schon die Kernaussage des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik. Wichtig ist für uns an dieser Stelle, dass es bei der jeweils auftretenden Form von Energie auf die Arbeitsfähigkeit ankommt. Der Zusammenhang verbildlicht sich wie folgt:

Zusammenhang von Energie, Exergie und Entropie

Zusammenhang von Energie, Exergie und Entropie

Die Grafik stammt aus diesem lesenswerten Beitrag, der noch weiter ins Detail bezüglich Exergie geht. Exergie ist sozusagen die Maßzahl der für Arbeit nutzbare Energie. Diese schwindet bei der Umsetzung, im selben Maße nimmt die Entropie zu. Entropie ist in diesem Zusammenhang ein Maß für nicht mehr nutzbare Energie. Irgendwann ist alles Wasser den Berg herunter geflossen, alles auf Umgebungstemperatur abgekühlt, etc. Ein Beispiel aus dem Beitrag soll das verdeutlichen:

Eine Autobatterie mit 12V, 2,3Ah hat denselben Energiegehalt wie 1kg Wasser der Temperatur von 43°C, nämlich 100kJ. Das Wasser können wir bestenfalls zum Händewaschen oder Abspülen benutzen, während wir die in der Batterie gespeicherte Energie wesentlich besser nutzbar machen können.

Oft wird Entropie auch als Maß für (Un-)Ordnung (engl. order) eines Systems benutzt. Zur Veranschaulichung dient das folgende Bild:

Ohne zusätzliche Energie wird man die beiden Flüssigkeiten nicht wieder wie links zu sehen trennen können. Ohne zusätzlichen Aufwand wird auch die Unordnung auf dem Schreibtisch oder im Kinderspielzimmer nicht wieder abnehmen 😉
Gut veranschaulichen lässt sie sich auch als „Zahn der Zeit“, der überall nagt. Alterung/Zerfall ist nichts anderes, als das Bestreben aller Dinge, einen energetisch niedrigeren Zustand zu erreichen. Die Flussrichtung ist in einem geschlossenen System (welches ich für die Ausführungen zum 2. HS d. T.-Dyn. vorausgesetzt habe) jeweils nur von höherem zu niedrigerem Niveau möglich.

Der Zahn der Zeit.

Der Zahn der Zeit.

 

Wie kommt nun Leben in die Bude und vor allem, wie wird dieser Zustand dauerhaft erhalten? Ganz einfach, dies erfordert einen ständigen Zustrom von freier „low-entropy“ Energie von außerhalb. Diese bekommt unser Planet seit ein paar Jahrmilliarden kostenfrei von der Sonne zur Verfügung gestellt. Daraus hat sich ein richtig gehender Bioreaktor entwickelt:

ENERGY MOVEMENT IN ECOSYSTEMS (Energiefluss in Ökosystemen)

Energy moves through TROPHIC LEVELS
Producers – take in energy by photosynthesis, produce biomass
CO2 + H2O + light  ->   sugar + O2
ex: plants (Pflanzen)
Consumers – organisms that eat other organisms (live or recently dead)
herbivores eat plants (deer, squirrel)
carnivores eat animals (fox, bobcat)
omnivores eat both (turkey) (+Menschen)
Decomposers – organism that eat dead material (Verwertung durch Zersetzung, es entsteht die Nährstoffgrundlage für die Produzenten/Pflanzen)
ex: fungi, bacteria, some insects (ants, termites)

Jede einzelne Station benötigt für sie nutzbare Energie (Exergie), um zu funktionieren. Ebenso entstehen bei der Umwandlung jeweils Verluste, meist in Form von Abwärme. Ohne die Sonne als externer „low-entropy“ Energiequelle käme dieser Kreislauf recht schnell zum Erliegen bzw. erst gar nicht in Gang. Man halte sich nur vor Augen, dass Menschen und sonstige Lebewesen ihre komplette Zellstruktur innerhalb eines bestimmten Zeitraums erneuern, all das ist nur mit „frischer“ Energie möglich. Bei Pflanzen läuft dieser Prozess erheblich schneller ab. Ohne Licht und Wärme ist teilweise innerhalb von Stunden Ende im Gelände. Bedeutsam ist, dass sich lediglich der Zeitraum unterscheidet, wie lange die Lebenserhaltung ohne Zuführung neuer Energie aufrecht erhalten werden kann.

Vergleich von offenem und geschlossenen System

Vergleich von offenem und geschlossenen System

Natürlich steht uns nicht nur die Sonne als Energieträger zur Verfügung. Die Verbrennung von Holz als nachwachsendem Rohstoff kann zur Wärmegewinnung (Kochen, Heizung, etc.) genutzt werden. Ebenso wie Kohle, Öl und Gas als fossile Energieträger mit ungleich höherer Energiedichte zum Einsatz kommen. Nicht vernachlässigt werden sollte jedoch, dass auch diese Erscheinungsformen ohne Sonneneinstrahlung nicht entstanden wären. Der Entstehungszeitraum lässt sich als Mensch nur schwer begreifbar machen. Wir leben im Hier und Jetzt und freuen uns über die Segnungen der Vergangenheit. Oder etwa nicht? Kernspaltung und -fusion stellen ebenfalls Möglichkeiten zur Nutzbarmachung von Energie dar.

Im nächsten Beitrag werde ich den sich bereits andeutenden Bogen zum Thema Wirtschaftswachstum schlagen und beleuchten, was es mit nachhaltigem Wachstum™ auf sich hat.

 

 

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