Seite 4: Energie umwandeln

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Ohne nutzbare Energie läuft nichts – kein PC-Freak, Holzwurm oder Blechkosmetiker kriegt etwas gebacken ohne passende Energieversorgung, die oft erst über Umwege (sprich: Umwandlungen) erreicht und gezielt gespeichert werden muss, wenn beispielsweise im Auto der Strom der Lichtmaschine nicht für einen satten Bass ausreicht. Aber auch die Dosierung muss passen, ansonsten funktioniert etwa ein elektronisches Bauteil wie eine weiße LED noch nicht mangels geeigneter Spannung – oder ist schon längst im elektronischen Nirvana wegen zu hoher Ströme. Selbst Leute mit dem „Grünen Daumen“ müssen sorgfältig dafür sorgen, dass ihre grünen Lieblinge nicht dank übermäßiger Sonnenenergie und damit verbundener zu hoher Verdunstung braun abschlaffen und den Geist aufgeben – kein Einzelfall im Sommer 2018.

Aus den zuvor beschriebenen Primärenergieträgern lässt sich die Energie in andere, sekundäre Formen umwandeln, etwa in elektrische Energie. Die ist zwar eigentlich für die meisten Maker-Projekte die bevorzugte Form, tritt aber nirgends auf der Welt primär auf. Nein, auch nicht in Form von Blitzen, denn die entstehen wie alle Wetterphänomene durch Sonnenenergie als primäre Form, die Verdunstung, Aufwinde, mechanische Ladungstrennung und schließlich die elektrische Entladung nach sich zieht.

Wirkungsgrad

Keine Energieumwandlung gelingt vollständig, meist treten Nebenwirkungen in Form oft störender Energieformen wie Wärme auf. Oder anders gesagt: Es gibt keinen hundertprozentigen Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis zwischen reingesteckter und herausgekommener nutzbarer Energie und wird mit dem griechischen Buchstaben Eta (η) bezeichnet.

Den exakten Wirkungsgrad anzugeben ist oft problematisch, wie beispielsweise bei Lichtquellen, da hier die Definition der abgegebenen Strahlungsleistung wellenlängenbezogen ist. So hat eine warmweiße LED einen geringeren Lichtstrom in Lumen als eine kaltweiße LED bei gleicher elektrischer Leistung.

Am Beispiel der Peltier-Leselampe wird das alles gut erkennbar. Fakt ist, dass die Lampe mit der weißen LED ein viel helleres Licht liefert als das Teelicht als Energiequelle. Warum? Beim Teelicht werden nur circa 1–2 Prozent der gesamten im Wachs chemisch gespeicherten Energie in gelb/rotes Licht umgesetzt, der Rest in Wärme. Diese 98 Prozent nutzt das Peltier-Element, um mit dem Seebeck-Effekt elektrischen Strom zu generieren – bei ebenfalls einem bescheidenen Wirkungsgrad von etwa 20–30 Prozent. Eine sehr effiziente weiße LED hat eine Lichtausbeute von höchstens 40–50 Prozent, der Rest wird wiederum als Wärme vom LED-Kristall abgeführt.

Dennoch kommt man mit dem Peltier-Element und der LED insgesamt zu einem besseren Wirkungsgrad – sprich Lichtausbeute – als beim Teelicht. Hinzu kommt, dass die weiße LED viel mehr blaues Licht abstrahlt als das Teelicht, was uns Menschen einen viel helleren Eindruck vermittelt, da das menschliche Auge im blau/grünen Bereich viel empfindlicher ist als im gelb/roten.

Emissionsfrei bergan

Ein Musterbeispiel für Umwandlung verschiedener Energieformen liefert ein Muldenkipper der Superlative in der Schweiz. In einem Steinbruch in Péry im Berner Jura ist das größte, schwerste und stärkste akkumulatorbetriebene Elektroauto der Welt im Einsatz. Sein Lithium-Ionen-Akku wiegt ganze 4,5 Tonnen. Hammer!

Der riesige Muldenkipper namens Lynx transportiert aus einer hochgelegenen Abbaustelle Kalk- und Mergelgestein ins Tal. Wenn er mit 65 Tonnen Gestein voll beladen ist, wiegt er satte 123 Tonnen. Fährt er ins Tal, so treibt ihn die potenzielle Energie beschleunigend den Berg hinab und wird in kinetische Energie der riesigen Masse umgewandelt. Zum Bremsen des Monstrums laufen keine Scheibenbremsen heiß, sondern der kräftige Synchronmotor wird als Generator eingesetzt. Dabei wird so viel elektrische Energie erzeugt, dass Lynx unten angelangt einen voll geladenen Akku hat. Damit kann der leere und leichtere eDumper wieder hinauf zur Grube fahren und auf der Bergfahrt die gespeicherte elektrische Energie wieder umsetzen in kinetische und potenzielle Energie hoch droben auf dem Berg. Alles ist völlig emissionsfrei!

Der schwere Akku-Block besitzt eine Arbeitskapazität von 600 Kilowattstunden. Der Elektromotor hat die gewaltige Leistung von 980 Kilowatt, das Drehmoment liegt bei 9500 Newtonmeter – zum Vergleich: Große LKWs kommen auf 2700 Newtonmeter. Lynx wird jährlich mindestens 300 000 Tonnen Steine befördern. Dabei wird er über einen Zeitraum von zehn Jahren 500 000 Liter Diesel und 1300 Tonnen Kohlendioxid-Emissionen einsparen im Vergleich zu dem baugleichen dieselbetriebenen Muldenkipper HD 605-7 der Firma Komatsu. Und wer hat’s erfunden? Natürlich die Schweizer!

Der Stromgenerator

Spulen wir mal etliche Jahrzehnte zurück. Die Erfindung der Dampfmaschine als Kraftwerk brachte in Werkstätten zwei große Vorteile: die Unabhängigkeit von der damals vorherrschenden, aber schwankenden Wind- oder Wasserkraft, sowie die freiere Standortwahl. Bei der Weiterverteilung der mechanischen Energie vom Schwungrad der Dampfmaschine war man aber weiterhin auf ziemlich starre Systeme wie Transmissionen mit Treibriemen und Wellen angewiesen, wie es mein altes Dampfmaschinen-Modell zeigt (Bild 17).

Das änderte sich mit der Erfindung des stromerzeugenden Generators (Dynamo) und des Elektromotors, denn Stromenergie lässt sich viel einfacher an Verbraucher verteilen als Energie mit Mechanik.

Elektromagnetische Induktion

1831 formulierte Michael Faraday das elektromagnetische Induktionsgesetz und baute dabei auf wichtigen Erkenntnissen und Versuchen von Hans-Christian Oersted und André Ampère auf:

• Auf einen stromdurchflossenen elektrischen Leiter wird in einem Magnetfeld eine Kraft ausgeübt, die ihn in eine bestimmte Richtung bewegt.
• Bewegt man einen elektrischen Leiter in einem Magnetfeld, so wird in dem Leiter eine elektrische Spannung induziert.

Dies war die Grundlage der klassischen Elektrotechnik für Generatoren, Transformatoren und Motoren.

Prinzip des Elektromotors

Das Anlegen einer äußeren Spannung bewirkt, dass sich die frei beweglichen negativ geladenen Elektronen vom Minuspol zum Pluspol bewegen (schwarze Pfeile und Punkte). Sie bewegen sich durch das Leiterstück im Magnetfeld (gelb). Dort entsteht die Lorentzkraft an jedem einzelnen Elektron – für deren Erklärung braucht man allerdings die Spezielle Relativitätstheorie, die hier deutlich zu weit führen würde. Wichtig ist hier: Die Summe der Teilkräfte aller Elektronen im betreffenden Leiterabschnitt ist als große Krafteinwirkung auf den Leiter messbar, denn die Elektronen können dem Metallgitter des Leiterstabes nicht entweichen und bewegen statt dessen den gesamten Leiter aus dem Hufeisenmagneten heraus. Wer Zugang zu einem 3D-Drucker hat, kann das in unserem solarbetriebenen Mendocino-Motor ausnutzen.

Prinzip des Dynamos (Generator)

Was aber passiert, wenn statt dessen mit Hilfe einer äußeren Krafteinwirkung ein stromloser Leiter aus dem Hufeisen-Magnetfeld herausgezogen wird? Die Elektronen erfahren eine Lorentzkraft, die sie im Beispiel im Bild in die Papierebene hineintreibt. Da die Elektronen negativ geladen sind, entsteht an diesem Ende der Minuspol. Auf der anderen Seite des Leiters fehlen diese Elektronen. Dort herrscht also Elektronenmangel, also bildet sich dort der Pluspol. Durch die Bewegung des Leiters durch das Magnetfeld werden also Ladungen getrennt, sodass an den Enden des Leiters eine elektrische Feldspannung induziert wird. Ruht der Leiter, erfolgt keine Änderung des Magnetfelds, dann entsteht auch keine Induktionsspannung.

Je stärker das Magnetfeld, je mehr Windungen der Leiter hat, je schneller die Bewegung des Leiters erfolgt, desto höher ist die induzierte Spannung. Ein vorhandenes konstantes magnetisches Feld alleine erzeugt noch keine Spannung. Grundsätzlich entsteht die Induktionsspannung nur durch eine zeitliche Änderung des magnetischen Flusses, wobei es egal ist, ob der Magnet oder der Leiter (Spule) bewegt wird.

Dabei ist die Polarität der Induktionsspannung stets so gerichtet, dass der hervorgerufene Induktionsstrom der Ursache des Induktionsvorgangs entgegenwirken kann. Dies hat Heinrich Lenz 1834 als wichtige Regel formuliert, denn durch Induktion entstandene Ströme, Felder und Kräfte müssen der Ursache ihrer Entstehung entgegenwirken und sich nicht gegenseitig aufschaukeln, sonst gäbe es vielleicht doch ein Perpetuum mobile – und das kann wegen des Energieerhaltungssatzes gar nicht sein.

In meinem Fundus gibt es ein uraltes Siemens-Telefon mit Kurbel zur Energieversorgung über einen Generator (Bild 20). Nimmt man es auseinander, sieht man eine drehbare Spule mit zwei Wicklungen um einen Doppel-T-Anker, der in einem permanenten Magnetfeld steckt. Dreht man die Spule, ändert also den Magnetfluss, so stellt man fest, dass an den beiden Kollektorringen für die beiden Wicklungen eine Wechselspannung zu messen ist, denn beim Rotieren der Wicklungen ändert sich die Lorentzkraft ständig.

Aus diesem Wechselspannungsgenerator könnte man einen Motor machen, indem man einfach von außen eine Wechselspannung anlegt. Doch was passiert, wenn nur eine Gleichspannung zur Verfügung steht? Legt man die an, blockieren sich die Induktionseffekte gegenseitig.

Die Lösung für dieses Problem war die Erfindung des Polwendemotors durch Moritz von Jakobi im Jahr 1834. Der sogenannte Kommutator aus Kupferplatten (gelbe Ringe im Bild 21) sorgt dafür, dass sich die Polung der Wicklungsanschlüsse ändert, wenn sich die Richtung der Induktionsspannung ändert. Bürsten aus Grafit (auch als „Kohlen“ bezeichnet, im Bild blau und rot)) nehmen den Strom ab. Eine solche Maschine ist sowohl als Gleichspannungs-Motor wie auch als Gleichspannungs-Generator verwendbar.

Induktion

Neben der Lenzschen Regel findet auch das Faradaysche Induktionsgesetz bei sehr vielen elektrischen Geräten Anwendung, wenn elektrische Energie umgesetzt wird in andere Energieformen wie mechanische Bewegung, Magnetfelder oder Hochfrequenz. Angefangen von ganz normalen Elektromotoren und Transformatoren, den Wirbelstrombremsen der ICEs, den Induktionsschleifen bei Ampelsteuerungen, der RFID-Tags beim Ski-Pass oder zur Sicherung von Waren in Kaufhäusern sowie in PC-Festplatten – wir könnten eine lange Liste aufstellen. Stattdessen im Folgenden ein paar herausgepickte Beispiele für den kreativen Umgang mit Induktion.

Drahtlos laden

Nikola Tesla träumte seinerzeit von einer kabellosen Energieversorgung aller Menschen mittels Übertragung durch Hochfrequenzfelder (siehe Make 2/14). Aber sein Großprojekt Wardenclyffe-Tower funktionierte nicht so richtig. Denn die Intensität von rundum ausgesandter hochfrequenter Strahlung nimmt mit der Entfernung nicht linear, sondern quadratisch ab. Daher sollten Sender- und Empfängerspule einander so nahe wie möglich sein. Und genau das wird beim sogenannten kabellosen Laden von SmartPhones, elektrischen Zahnbürsten und vielen anderen Geräten heute gemacht. Nun, ohne Kabel in den Spulen geht es wohl kaum. Und wer hat’s erfunden? Nein, nicht die Schweizer – Nikola Tesla!

Induktionskochfeld

Wie der Name schon vermuten lässt, funktionieren Induktionskochfelder ebenfalls über Induktion, aber es soll ja Wärme erzeugt werden. Eine große Spule in der Herdplatte ist Teil eines Resonanzkreises, der ein hochfrequentes Magnetfeld erzeugt unterhalb der Frequenz von 77,5 kHz der Zeitzeichensender für Funkuhren. Dieses Magnetfeld induziert im Boden des Kochtopfes massive Wirbelströme und Ummagnetisierungen, was rasch zu Wärme führt, wobei die Glasplatte des Herdes nicht erhitzt wird. Der Topfboden muss für einen guten Wirkungsgrad ferromagnetisch sein.

Ein solches Induktionskochfeld lässt sich auch zum Disk Launcher umfunktionieren – ein für Bastler interessantes Elektrokatapult, ähnlich dem vielleicht aus der Schule bekannten Thomsonschen Ringversuch. Die schlagartige Entladung einer Kondensatorbank über eine Spule führt zu einer kräftigen Magnetflussänderung, die wiederum in einer darauf gelegten Festplattenscheibe starke Ringströme induziert und ein Magnetfeld aufbaut, das dem verursachenden Feld in der Spule entgegengerichtet ist. Die abstoßenden Kräfte schießen die Scheibe meterhoch in die Luft.

Gefährliche Selbstinduktion

Auch in einzelnen Spulen etwa in Relais kommt es zu Induktionseffekten. Denn ändert sich der durch eine Spule fließende Strom beim Ein- und Ausschalten, so bewirkt dies eine Änderung des magnetischen Flusses durch die „eigene“ Spule. Der Strom steigt beim Einschalten langsam an, da das entstehende Magnetfeld nach Lenz seiner Ursache entgegenwirkt (Drosselwirkung).

Bei abrupter Abschaltung des Stromes geht gespeicherte Energie des Magnetfeldes in ein elektrisches Feld über und es entstehen hohe Induktionsspitzen von bis zu 100 Volt, deren Polung der verursachenden Spannung entgegengesetzt sind.

Diesen Effekt macht man sich zu Nutze, um in der Sekundärwicklung der Zündspule von Verbrennungsmotoren die hohe Spannung für den nötigen Zündfunken zu erzeugen. Aber unbeabsichtigte Induktionsspitzen stellen für viele in der Umgebung befindlichen Elektronik-Bauteile gefährliche Störimpulse dar, die meist nicht tolerierbar sind, empfindliche Halbleiter können durchbrechen. Relaisspulen beschaltet man daher sicherheitshalber mit einer Schutzdiode.

Transformator

Beim Thema Induktion darf man die Transformatoren nicht vergessen, die in der Verteilung der elektrischen Energie über das Land eine wichtige Rolle spielen – bis hin zum Anschluss der Endverbrauchergeräte.

Eine Wechselspannung auf der Primärseite des Transformators bewirkt entsprechend des Induktionsgesetzes einen wechselnden magnetischen Fluss im Eisenkern. Der wechselnde magnetische Fluss wiederum induziert auf der Sekundärseite des Transformators eine Spannung. Umgekehrt bewirkt ein Wechselstrom in der Sekundärwicklung einen Wechselstrom in der Primärwicklung.

William Stanley konstruierte 1886 ein gut funktionierendes Modell und sorgte damit dafür, dass sich sein Chef George Westinghouse mit seinem Wechselstromnetz durchsetzen konnte gegen Edison, der ein Gleichspannungsnetz aufbauen wollte. Durch geeignete Wahl der Windungszahlen N₁ und N₂ können mit einem Transformator Wechselspannungen sowohl hochtransformiert werden, indem N₂ größer als N₁ gewählt wird, oder heruntertransformiert, wenn N₂ kleiner als N₁ ist.

Schaltnetzteile

Ohne Induktion gibt es keine Schaltnetzteile. Diese sind viel kleiner und leichter als konventionelle Transformatoren gleicher Leistung. Wie geht das? Hier macht man sich folgende Tatsachen zu Nutze:

• Der Einsatz von keramischen Ferriten statt Blechen aus Weicheisen bringt viel geringere Verluste durch Wirbelströme und Ummagnetisierungen mit sich.
• Skin-Effekt: Mehrere dünnere isolierte Drähte (Litze) in Trafos statt einem dicken sparen Material bei gleicher Leistung wegen des Skin-Effektes, also der Tatsache, dass die Elektronen im elektrischen Feld von Drähten weniger im Inneren fließen, sondern eher auf der Oberfläche wegen der gegenseitigen Abstoßung.
• Höhere Frequenzen benötigen geringere Trafomassen.
• Rechteckimpulse haben schärfere Induktionseffekte als Sinus-Wechselstrom. Die Frequenz der Rechteckimpulse wird so hoch gewählt, dass sie keine akustischen Störungen verursachen. Dennoch ist die EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) nicht unumstritten, ein Beitrag zum Elektro-Smog ist gegeben.

Mit dem richtigen Wandler lässt sich die vorhandene Spannung anpassen an die für ein Projekt nötige Spannung.

Windenergie nutzen

So unterschiedlich etwa alte Windmühlen und moderne Windräder auch aussehen mögen, physikalisch steckt immer mindestens eines von zwei Prinzipien dahinter:

Widerstandsläufer: Der Luftwiderstand drückt die Segel oder Rotorblätter zur Seite. Beispiele sind die bekannten Weihnachtspyramiden aus dem Erzgebirge, die mit vertikal anströmender warmer Luft arbeiten, das Schalenanemometer, ein Messgerät für die Windgeschwindigkeit (Bild 24), sowie der Savonius-Rotor – einfach zu bauen, aber mit relativ geringem Wirkungsgrad und hohem Luftwiderstand bei Starkwind. Es gibt daher kein großes Windkraftwerk mit Savonius-Rotor. Kleine Anwendungen finden wir aber bei Lüftern auf Lieferwagen oder zum Antrieb von Stromgeneratoren für Segelboote zum Laden der Bordbatterie.

Auftriebsläufer: Der aerodynamische Auftrieb, den Vögeln abgeschaut und auch für die Flügel und Propeller von Flugzeugen verwendet, ist hier verantwortlich für das Drehmoment. Nach diesem Prinzip arbeiten die üblichen großen Windenergie-Anlagen mit drei Flügeln, aber auch der von Georges Darrieus in den 30er Jahren gebaute und nach ihm benannte Rotor mit vertikaler Achse und bogenförmigen Rotorblättern, die unten und oben an der Welle befestigt sind (Bild 25). Dieser Rotor läuft sehr schnell, hat aber den Nachteil, dass er bei paralleler Stellung zum Wind nicht von selbst anläuft, denn die Kräfte kompensieren sich. Eine Kombination mit einem Savonius-Rotor kann da helfen. Wenn der Rotor erst einmal rotiert, ergeben sich komplizierte Anströmungen, die ein stotterndes Rotieren bewirken, da das resultierende Drehmoment schwankt.

Am effizientesten erwiesen sich zur Stromerzeugung horizontal rotierende Propeller-Windräder meist mit drei Flügeln, die gezielt in den Wind gestellt werden können. Die Konstruktionen der hoch entwickelten Windanlagen-Industrie setzen voll auf das Auftriebsprinzip in allen Teilen der drehbaren Flügel. Diese können bei Extremwind so in die Strömung gestellt werden, dass mögliche Schäden infolge zu hoher Drehzahlen vermieden werden. Der Stromgenerator sitzt in einer Gondel direkt am Windrad und wird meist über ein Planetengetriebe zum Laufen gebracht. Alles hat einmal bescheiden angefangen mit circa 55 Kilowatt Leistung in den 80er Jahren. Die Leistungen der heutigen Windkraftanlagen bewegen sich zwischen 2 und 8 Megawatt und steigen sicher weiter, genauso wie die Höhe der Türme zunehmen wird, denn der Windertrag ist oben einfach gleichmäßiger und stärker. Inzwischen gibt es Off-Shore-Türme mit 160 Meter Rotorachsenhöhe (Nabe) und einem Rotorblattdurchmesser von 140 Metern.

Wasser und Wärme

Lange bevor James Watt seine Dampfmaschine aus mehreren Vorläufern anderer Erfinder entwickelte, beschrieb Heron von Alexandria um 120 v. Chr. ein dampfgetriebenes Gerätchen, Heronsball, Dampfkreisel oder Aeolipile genannt. Es belegt, dass die Erbauer durchaus Kenntnisse über die Expansionskraft von Wasserdampf sowie über das Rückstoßprinzip besaßen.

Wasser hat sehr spezielle Eigenschaften, wenn Wärme zugeführt wird. Man mag es kaum glauben, aber das Volumen von flüssigem Wasser vertausendfacht sich, wenn es in den gasförmigen Dampfzustand übergeführt wird. Dieser Übergang des Aggregatzustands erfordert den satten Energiebetrag von 2260 KJ pro Kilogramm (oder Liter) Wasser! (Bild 26) Diese Power steckt dann im Dampf. Während flüssiges Wasser fast nicht komprimierbar ist, kann man mit heißem Wasserdampf enorme Gasdrücke und hohe Temperaturen erreichen.

Bevor das Thema jetzt zu trocken wird, machen Sie dazu beim nächsten Grillen mit Ihren Freunden mal folgenden Versuch:

• Füllen Sie in eine geleerte Bierdose ein wenig Wasser, nicht mehr als ein Schnapsglas voll.
• Stellen Sie eine große Schale mit kaltem Wasser bereit.
• Schieben Sie nun die Dose auf den Grill und warten, bis es gut kocht.
• Nehmen Sie eine Grillzange, fassen die Dose am Rand und tauchen sie rasch mit der Öffnung nach unten ins kalte Wasser.

Das Ergebnis sehen Sie im Bild 27. Frage in die Runde: Hat einer Ihrer Grillfreunde eine Erklärung dafür? Keine Angst, es gibt keine Explosion – nur eine Implosion!

Dampfturbine

Dampfturbinen sind Schlüsselaggregate bei der Energieumwandlung im großen Maßstab – sie wandeln Wärmeenergie auf dem Umweg über Dampfdruck in Bewegungsenergie um, die schließlich einen Generator zur Stromerzeugung antreibt. Solche Turbinen sind gleichermaßen in Kohle- wie Atomkraftwerken im Einsatz.

Auf einer gemeinsamen Achse sitzen der Generator und die eigentlichen Turbinenlaufräder. Diese rotierenden Räder mit kleinen Laufschaufeln befinden sich zwischen fest mit dem Gehäuse verbundenen Rädern mit großen Leitschaufeln. Die festen Leit-Schaufeln lenken den Dampfstrom gezielt auf die Laufräder und sind nach dem Bernoullischen Auftriebsprinzip geformt, sodass der Dampf daran an Geschwindigkeit gewinnt.

Beim Durchströmen der Turbine verliert der Dampf an Druck und Temperatur. Man sagt, der Dampf entspannt sich, das Volumen nimmt dabei zu. Daher werden die Turbinenräder zum Ausgang hin größer, um eine optimale Energieumwandlung in Rotationsenergie und letztlich in Strom zu erreichen.

Je druckreicher und heißer der Dampf am Eingang und je druckärmer und kühler er am Ausgang der Turbine ist, desto effizienter läuft die Maschine. Ein großer gekühlter Kondensator sorgt am Ausgang dafür, dass das Wassergas zu flüssigen Tröpfchen kondensiert. Der Druck sinkt dabei stark ab, denn das entstehende flüssige Wasser hat ja ein vielfach kleineres Volumen als der Dampf aus der Turbine. Das Gefälle zwischen dem Überdruck vor der Turbine und dem Unterdruck im Kondensator jagt den Dampf durch die Turbine.

Es gibt auch Maschinen, die haben drei Turbinensätze auf einer Achse, ausgelegt für Hoch-, Mittel- und Niederdruckdampf. Das Wasser aus dem Kondensator wird wieder in das Kesselhaus gepumpt (geschlossener Kreislauf mit Reinstwasser), wo es mit unterschiedlichen Wärmequellen erneut aufgeheizt und verdampft wird.

GuD-Technik

Eine besonders effiziente Kraftwerksvariante sind die Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerke (GuD). Bei dieser Kombination treibt eine Gasturbine direkt einen Generator zur Stromerzeugung an, der auf einer gemeinsamen Welle mit einer Dampfturbine sitzt. Den Wasserdampf bekommt diese Turbine aus einem Abhitze-Dampfkessel (Wärmetauscher), der mit den heißen Abgasen der Gasturbine betrieben wird. Es entfallen etwa 2/3 der elektrischen Leistung auf die Gasturbine und 1/3 auf den Dampfprozess. Bei einigen Anlagen wird aus dem Kondensator zusätzlich noch Fernwärme über Wärmetauscher ausgekoppelt.

Drehmassenspeicher

Dieses Prinzip ist wenig präsent, auch wenn es von der antiken Töpferscheibe bekannt ist: Weil man von Hand nicht gleichzeitig den Ton formen und die Scheibe drehen konnte, musste erst mit viel Kraft und Geschick die schwere Steinscheibe in schnelle Rotation versetzt werden, danach reichte der Schwung für weniger als eine Minute Töpfern, bis die Rotationsenergie in mechanische Verformungsenergie des Tones übergegangen war.

Ein heutiger Schwungradspeicher nutzt ebenso wie das antike Vorbild die Tatsache, dass ein schnell rotierender massereicher Körper erhebliche Mengen an Energie in der Rotation speichern kann. Er wird üblicherweise durch einen Elektromotor angetrieben. Man kann ihm aber auch wieder extrem schnell Energie entnehmen, wenn der Motor als Generator arbeitet, Strom erzeugt und das Schwungrad dabei bremst.

Benutzt wird das Prinzip etwa zur unterbrechungsfreien Stromversorgung in Krankenhäusern – damit wird bei Netzausfall so lange Strom geliefert, bis das Notstromdieselaggregat angesprungen ist. In Windparks dienen solche Speicher zur Stabilisierung, um die fast permanenten Schwankungen der Spannung und der Frequenz auszugleichen. Sogar in der Formel 1 fanden Versuche statt, solche Speicher einzusetzen. Beim Bremsen werden sie geladen, also in Rotation versetzt, beim Beschleunigen wird die Energie zusätzlich auf den Antriebsstrang gebracht. Das System hat sich dort aber nicht durchgesetzt.

Ein anderes Schwungradsystem ist aber in nahezu allen modernen Motoren zu finden: das Zweimassenschwungrad (ZMS). Es besteht aus zwei scheibenförmigen Schwungmassen, die über Federn miteinander verbunden sind (Bild 30). Sie trennen Motor und Kupplung samt Getriebe voneinander. Aufgabe des ZMS ist es, über die wechselseitige Aufnahme und Abgabe von Rotationsenergie durch die beiden Massescheiben die Drehschwingungen der Motorachse zu dämpfen – der Lauf des Motors wird viel ruhiger. Damit hat das ZMS letztlich eine ganz ähnliche Funktion wie die große Masse der Schwungräder der alten Dampf- und Verbrennungsmaschinen, den plötzlich auftretenden Druck im Kolben zu dämpfen, um einen gleichmäßigen stoßfreien Lauf zu erreichen und um über die Totpunkte hinwegzukommen.

Wandlungsfähig

Die Liste der möglichen und nützlichen Energieumwandlungen ließe sich noch beliebig fortsetzen und ergänzen. Einige (gängige) Arten von Energieumwandlungen beschreiben wir an anderer Stelle ausführlicher – so lesen Sie etwa Wissenswertes und praktisch Umsetzbares zu Solar- und Bioenergie und zur Funktion von Wärmepumpen und Wärmetauschern und bekommen eine Anleitung zum Bau eines muskelkraftbetriebenen Stromgenerators. Sogar die mechanische Speicherung von potenzieller Energie in einem selbstgebauten Hubspeicherkraftwerk wird berücksichtigt.

Die ganze Welt der Energie(umwandlungen) passt in keinen Artikel. Lösen wir uns also von der Idee der Vollständigkeit und wagen wir lieber einen Ausblick auf die Energie von morgen.