Was ist thermische Energie?
Im Grunde genommen handelt es sich bei thermischer Energie um kinetische Energie, also Bewegungsenergie. Diese wird aber nicht makroskopisch betrachtet, sondern bezogen auf alle Teilchen eines physikalischen Systems, und zeichnet sich zudem durch eine ungeordnete Bewegung aller Bestandteile aus. Thermische Energie definiert sich dabei über das Produkt aus der Masse eines Stoffes, seiner spezifischen Wärmekapazität sowie seiner absoluten Temperatur (Eth = m x c x T). Da die variabelste Größe dieser Formel die Temperatur darstellt, wird die Energieform umgangssprachlich auch als Wärme oder Wärmeenergie bezeichnet oder aber fälschlicherweise mit der Temperatur gleichgesetzt.
Um die thermische Energie eines physikalischen Systems zu erhöhen, ohne etwas an seiner stofflichen Zusammensetzung zu ändern, bedarf es einer Wärmezu- oder -abfuhr von außen. Wärmeenergie bewegt sich dabei nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik immer vom wärmeren ins kältere System. Bei einer Wärmezufuhr wird die Teilchenbewegung innerhalb des Stoffes beschleunigt und auch die Zusammenstöße der einzelnen Atome bzw. Moleküle häufen sich, bei einer Wärmeabfuhr werden die Teilchen hingegen langsamer. Da ein Stoff immer eine Masse und eine Wärmekapazität größer Null hat, kann ein vollständiges Stoppen der Teilchenbewegung nur erfolgen, indem seine Temperatur auf den absoluten Nullpunkt (0 Kelvin, -273,15 Grad Celsius) gesenkt wird. Nach dem dritten Hauptsatz der Thermodynamik (Nernst-Theorem) ist es physikalisch unmöglich, den absoluten Nullpunkt durch eine endliche Anzahl an Zustandsveränderungen zu erreichen – man kann sich ihm jedoch unbegrenzt nahe annähern. Mittels Laserkühlung wurden etwa schon Temperaturen von wenigen Milliardstel Kelvin realisiert.
Wofür nutzt die Menschheit thermische Energie?
Thermische Energie ist eine der wohl wichtigsten und am vielfältigsten nutzbaren Formen der Energie. So basieren schon die verschiedensten Methoden der Stromerzeugung auf einem thermischen Prinzip, selbst in Kraftwerken, die mit chemischen Energieträgern wie Kohle, Öl oder Gas arbeiten. Durch die Verbrennung dieser (und/oder anderer Stoffe) wird thermische Energie freigesetzt, die dann ein Arbeitsmedium erhitzt. Dieses verdampft durch die Aufnahme der Wärmeenergie, der Dampf wiederum treibt eine Turbine an. Diese ist an einen Generator gekoppelt, der die dann mechanische Energie in elektrische umwandelt. Auch andere Kraftwerke arbeiten nach einem ähnlichen Prinzip, auch wenn sie keinen Brennstoff einsetzen. Solarthermiekraftwerke erhitzen ihr Arbeitsmedium etwa durch die Bündelung der Energie der Sonneneinstrahlung, Geothermiekraftwerke machen sich die Erdwärme zunutze.
Die Umwandlung von thermischer in mechanische Energie wird von der Menschheit auch noch in vielen anderen Bereichen eingesetzt. So werden konventionelle Fahrzeuge ebenfalls durch die Verbrennung eines Energieträgers angetrieben (Benzin, Diesel, Schweröl, Kerosin). Ähnlich funktionieren auch andere industrielle Maschinen – wobei die Mehrzahl moderner Systeme mittlerweile elektrisch arbeitet.
Natürlich nutzt die Menschheit Wärmeenergie auch direkt für verschiedene Prozesse. In der Wirtschaft zählen hierzu zum Beispiel das Schmelzen von Werkstoffen (Metall, Glas, etc.) oder das Auslösen oder Beschleunigen diverser chemischer Reaktionen. In privaten Haushalten wird die bewusste Zufuhr von thermischer Energie zum Beispiel zum Kochen oder beim Trocknen von Kleidung eingesetzt.
Das mitunter größte Einsatzgebiet findet Wärmeenergie jedoch in der Gebäudebeheizung und der Warmwasserbereitung. Schließlich sind in kalten Jahreszeiten warme Wohn- und Arbeitsräume erforderlich. Ebenso waschen wir uns bevorzugt mit erwärmtem Wasser und auch das Reinigen von Kleidung in der Waschmaschine erfolgt in der Regel bei Temperaturen ab 30 Grad.
Wie lässt sich thermische Energie gewinnen?
Um thermische Energie für die verschiedensten Einsatzzwecke bereitzustellen, gibt es verschiedene Methoden. Die einfachste und bislang meistgenutzte ist dabei die Verfeuerung von fossilen Energieträgern wie Kohle, Erdöl oder Erdgas. Diese haben jedoch den Nachteil, dass sie der Umwelt durch die immense Freisetzung von Schadstoffen – insbesondere Treibhausgase wie Kohlenstoffdioxid – massive Schäden zufügen. Zudem sind sie nur endlich verfügbar und die Reserven schwinden durch den immer höheren Energiebedarf der wachsenden Weltbevölkerung rapide. Aus diesen Gründen ist die Menschheit derzeit bemüht, die Nutzung fossiler Brennstoffe schnellstmöglich einzuschränken und stattdessen auf regenerative Alternativen zurückzugreifen. Energieexperten sprechen in diesem Zusammenhang von der Energiewende (respektive Wärmewende) bzw. von der Dekarbonisierung. Im Energiesektor beschreibt das Schlagwort „Transformation“ diesen Prozess.
So lässt sich alternativ auch auf die Verfeuerung biologischer Energieträger wie Holz, Biodiesel und Biogas zurückgreifen. Hierdurch wird zwar ebenfalls CO2 freigesetzt, dieses wurde jedoch vorher durch den Pflanzenwuchs aus der Atmosphäre gebunden, so dass die gesamte Klimabilanz immer noch neutral ist. Allerdings ist es aufgrund der geringeren Energiedichte von Holz und Co. sowie die notwendigen Wachstumsphasen nicht möglich, fossile Brennstoffe allein durch biologische Äquivalente zu ersetzen.
Eine weitere Möglichkeit, thermische Energie umweltfreundlich bereitzustellen, ist die Solarthermie. Hier bündeln Sonnenkollektoren die einfallende Strahlung unseres Sterns und erhitzen dadurch ein Arbeitsmedium, welches im Anschluss seine Wärmeenergie an andere Systeme (Turbinen, Heizungen, usw.) abgeben kann, damit sie uns von Nutzen ist. Solarthermie ist nachhaltig und vollkommen unabhängig von irdischen Rohstoffen, allerdings auch auf Tageslicht angewiesen, weswegen die alleinige Nutzung ohne ausreichende Speichermöglichkeiten eher suboptimal ist. Vor allem in nördlichen Breiten kommt die Solarthermie an ihre Grenzen, weil hier der Einfallswinkel im Laufe der Jahreszeiten stark schwankt und gerade in den Wintermonaten nicht genügend Sonnenstrahlung eintrifft. Solarthermie ist jedoch für die äquatornahen Regionen in Zukunft sicherlich eine wichtige Energiequelle.
Das wohl effizienteste und flexibelste System zur Gewinnung von thermischer Energie ist die Wärmepumpe. Mit dieser ist es möglich, Wärme einfach und jederzeit aus der Umwelt zu gewinnen – etwa aus der Luft, dem Erdreich oder dem Grundwasser. Ein Kältemittel in einem geschlossenen Kreislauf entnimmt der Wärmequelle dabei einen Teil seiner thermischen Energie – welche sich durch die Sonneneinstrahlung sowie die Wärme aus dem Erdkern immer wieder regeneriert – und verdampft. Durch anschließende Verdichtung des Kältemittelgases werden Druck und damit auch die Temperatur erhöht, dann kann die Wärmeenergie an einen Verbraucher abgegeben werden. Das Kältemittel kondensiert und ein Entspannungsventil normalisiert den Druck, dann beginnt der Kreislauf von vorn. Wärmepumpen benötigen zum Betrieb lediglich elektrischen Strom, der sich auch erneuerbar und umweltfreundlich über Photovoltaik, Wind- oder Wasserkraft bereitstellen lässt. Zudem lassen sich mit Wärmepumpen auch andere niedertemperierte Energiequellen nutzen, etwa industrielle Abwärme oder das überall anfallende Abwasser. Auf diese Weise ist ein effizientes Energierecycling möglich, wodurch sich die aufwendige und gegebenenfalls umweltschädliche Neuerzeugung von Wärme maßgeblich reduzieren lässt. Dies spart Ressourcen und verringert zugleich die Schadstoffemissionen. Das System kann, wenn es mit Ökostrom betrieben wird, vollständig klimaneutral arbeiten.
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