Barry Commoner entwickelt in seinem Buch „Energieeinsatz und Wirtschaftskrise“ nicht nur den Zusammenhang von Energie und Wirtschaft, sondern betrachtet die Energieproblematik in einem umfassenderen thermodynamischen Zusammenhang. Es geht nicht nur um die Menge an Energie, sondern um die in ihr enthaltene Fähigkeit, Arbeit zu leisten. Diese Bestimmung führt dazu, auch die Entropie und damit den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik (TD) berücksichtigen zu müssen.

Energiemengenerhaltung – 1.HS der TD
Für die Menge an Energie gilt der Energieerhaltungssatz, dieser wird auch 1. Hauptsatz der Thermodynamik (oder auch der Wärmelehre) genannt. Bei der Umwandlung verschiedener Energieformen bleibt die Energiemenge insgesamt konstant. Dies gilt für geschlossene Systeme (ohne Materieaustausch), jedoch kann bei der Energie unterschieden werden die gespeicherte Energie (dieser Energieinhalt aus kinetischer, potentieller und innerer Energie stellt eine Zustandsgröße des Systems dar) und Energie, die während eines Prozesses die Systemgrenze überschreitet – diese Energieübertragungsformen sind Arbeit und Wärme.


Geschlossenes System (kein Stoffaustausch)

Betrachten wir eine bestimmte Menge Wasser, das die Niagarafälle hinabstürzt als thermodynamisches System, so zeigt sich die Energieerhaltung u.a. darin, dass das Wasser am Fuß des Wasserfalls ein Achtel Grad wärmer ist als das Wasser an der Oberkante (Commoner 1977: 20).

Die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten – 2. HS der TD

Nach dem Energieerhaltungssatz wäre es durchaus möglich, dass das Wasser vom Fuß des Wasserfalls wieder nach oben springt. Wir haben im Allgemeinen ein gutes Gespür dafür, welche Vorgänge wahrscheinlich sind und welche nicht. Dass eine Tasse zu Boden fällt und zerspringt, ist möglich –der umgekehrte Vorgang eher nicht.

„Offensichtlich gibt es in der Natur Vorgänge, die von alleine nur in eine bestimmte Richtung ablaufen. Wärme fließt „von alleine“ vom wärmeren zum kälteren Körper, aber nie von dem kälteren zu dem wärmeren Körper. Nach dem Herausziehen einer Trennwand vermischen sich zwei unterschiedliche Gase gleicher Dichte vollständig (= Diffusion). Eine Entmischung ist jedenfalls noch nie beobachtet worden.“ (Hakenesch: 67)

Aller Erfahrung nach

  • kann Wärme nie von selbst von einem System niederer Temperatur auf ein System höherer Temperatur übertragen werden (Clausius) und
  • es kann keine periodisch funktionierende Maschine konstruiert werden, die weiter nichts bewirkt als die Hebung einer Last und die Abkühlung eines Wärmereservoirs (Planck).

Dies gilt als der Zweite Hauptsatz der Wärmelehre. Er beschreibt neben dem Energieerhaltungssatz eine weitere Einschränkung für natürliche Prozesse im Rahmen thermodynamischer Größen. Diese Einschränkung besteht darin, dass nicht alle Energieformen für uns in gleichem Maße verfügbar sind, um sie in Arbeit umzuwandeln. Obgleich durch die Energieerhaltung eine Menge an Energie nach dem Wasserfall als Temperaturerhöhung vorhanden ist, kann diese Wärmebewegung nicht genutzt werden, um z.B. die Richtung des Wasserfalls umzukehren. Sie kann lediglich „als Heizung“ wirken, aber sie kann nicht mehr „in Arbeit umgewandelt“ werden.

Entropie

Die geheimnisvolle und oft kaum verstandene Größe „Entropie“ ist nun nichts weiter als ein Maß für den Verlust der Arbeitsfähigkeit der dissipierten (zerstreuten) Energie bei Energieumwandlungen. Man spricht auch von „Entwertung“ der Energie. Wir sprechen zwar häufig von einem Energie-„Verbrauch“, aber entsprechend dem 1. Hauptsatz der TD ist das nicht ganz richtig. Beim Abbrennen einer Kerze wird die chemische Energie umgewandelt in Wärme, die an die Umgebung abgegeben wird. Allerdings kann diese Wärme in geringerem Maß in Arbeit umgewandelt werden (was angesichts von Pyramiden aber auch nicht ganz unmöglich ist). Die von einer Taschenlampe abgegebenen Energieformen Wärme und Licht sind noch weniger in Arbeit umzuwandeln.

Bekannt sind auch die Beschreibungen der Entropie als Maßstab für Unordnung, für einen hohen Grad von Wahrscheinlichkeit bzw. für Informationsverluste (vgl. Commoner 1977: 31). Man kann auch sagen, dass die Entropie etwas über die Qualität der Energie aussagt – bezogen auf ihre mehr oder weniger gegebene Verfügbarkeit, um Arbeit zu leisten.

Entropie, also die „Entwertung“ der Energie (deren Menge erhalten wird) braucht nicht negativ bewertet zu werden. Im „Bestreben“, schnell zum thermodynamischen Gleichgewicht zu gelangen, können bestimmte natürliche Prozesse aber auch dabei helfen, andere System aus dem Gleichgewicht herauszutreiben:

„Um sich schnell ausdehnen zu können, schiebt der heiße, unter hohem Druck stehende Dampf des Kraftwerkskessels die „im Wege“ stehenden Turbinenschaufeln vor sich her und bringt die Turbine in Rotation.“ (Schlichting 2000)

Auch die Selbstorganisierungsprozesse auf dem Planeten Erde basieren auf dem Prinzip der sog. „Photonenmühle“ (vgl. Ebeling, Feistel 1986: 67). Langwelligeres Licht ist weniger fähig, Arbeit zu leisten, als kurzwelliges. Wenn also z.B. auf die Erde Licht in bestimmten Wellenlängen von der Sonne her eingestrahlt wird und längerwellige Strahlung zurückgestrahlt wird, so wird dabei Entropie „exportiert“. Wir werden darauf zurück kommen.

Energieeffizienz nach dem 2. Hauptsatz

Betrachten wir die Nutzung von Energie in menschlich erzeugten Produktionsprozessen, so geht es uns letztlich genau um die Fähigkeit der Energie, Arbeit zu leisten und nicht nur um die Energiemenge.

Unser Interesse an Energie kann also nicht wirklich abstrahieren von der in einer Menge Energie verkörperten Arbeitsfähigkeit, sondern interessiert sich genau dafür.

  • Wenn wir „Energie speichern“, so geht es uns primär um die Arbeitsfähigkeit dieser Energie und nur sekundär um die Menge an Energie, in der diese Arbeitsfähigkeit verkörpert ist. Enthält eine Energieform mehr Arbeitsfähigkeit, so reicht uns u.U. eine geringere Energiemenge aus.
  • Auch bei der Energieeinsparung geht es nicht nur um eine einzusparende Menge an Energie, sondern es ist wichtig, den Beitrag an möglicher Arbeitsleistung zu maximieren (vgl. Commoner 1977: 32).

„Energie für uns“ muss also entsprechend dem 2. Hauptsatz gemessen und bewertet werden. Die Effizienz nach dem 2. Hauptsatz ist folgende Größe:

  • Effizienz (2. HS)= Verhältnis der für eine gegebene Aufgabe erforderlichen Mindestarbeitsmenge zu der Arbeitsmenge, die von der tatsächlich zur Bewältigung der Aufgabe verwendeten Energie dargestellt wird (ebd.: 144)

Folgende Beispiele sollen verdeutlichen, welcher Unterschied sich durch eine Wirkungsgradberechnung anhand des 2.Hauptsatzes gegenüber derjenigen anhand des 1. Hauptsatzes ergibt (auch wenn die konkreten Werte sicher veraltet sind):

  • Für eine Ölheizung mit Ölbrenner wird ein Wirkungsgrad nach dem 1. Hauptsatz von 60-65% angegeben. Dabei wird die eingesetzte Energiemenge (Ölverbrennung) ins Verhältnis gesetzt zur Menge, die in Wärme für die Räume umgesetzt wird. Bei einer Bewertung entsprechend dem 2. Hauptsatz wird die Ölverbrennungsenergie in Bezug gesetzt zu „der geringsten verfügbaren Arbeit, die die Aufgabe erledigt haben könnte“. Nach diesem Maßstab hat ein Ölbrenner lediglich eine Effizienz von 8.2 %. (ebd.: 41f.)
  • Bei der Erhitzung von Wasser durch Strom, der in Kohlekraftwerken entsteht, liegt nach 1.HS eine Effizienz von ca. 30 % vor, nach dem 2. Hauptsatz sind nur 1,5% gegeben (ebd.: 65).
  • Insgesamt wird eingeschätzt, dass die Effizienz des Energieeinsatzes entsprechend dem 2. Hauptsatzes im Verkehr, bei industriellen Verfahren und der Wohnungsheizung etwa zehnmal niedriger ist als gemäß dem 1. Hauptsatz (ebd.: 32).

Es macht also wenig Sinn, so hochwertige Energie wie Elektroenergie für solche Aufgaben wie das Erhitzen von Wasser zu verwenden (Wasserkocher, Wasser erhitzen in Waschmaschinen). Die Wahl der Energiequelle hängt also nicht nur von der benötigten Energiemenge ab, sondern vor allem auch von der „thermodynamischen Qualität“ der Energiequelle.

„Die Thermodynamik sagt uns ganz pointiert, daß der Welt der Elektrizität abhängig von der Aufgabe, für die sie verwendet wird, und dem Prozeß, in dem sie eingesetzt wird.“ (Commoner 1977: 34)

Elektrizität ist eine geeignete Energiequelle für Bewegungsenergie, für Heizzwecke sollten jeweils Brennstoffe eingesetzt werden bzw. für die Hausheizung ist eine Wärmepumpe am effektivsten (nach Maßgabe des 2. Hauptsatzes) (vgl. 42f.).

Ein Beispiel für den unsinnigen bzw. sinnvollen Umgang mit den unterschiedlichen Energiequellen und –techniken zeigt die folgende Abbildung (aus Quelle):


Während bei einer getrennten Erzeugung von Strom im Kohlekraftwerk und von Wärme im Heizkessel enorme „Verluste“ auftreten, wird wesentlich mehr Primärenergie aus dem Erdgas in einer Blockheizkraftwerksanlage in Strom und Wärme umgesetzt.

Noch viel besser passt für die unterschiedlichen Energieverwendungen (Strom, Wärme) natürlich die Solarenergie, aus der beide Energiearten gewonnen werden können Photovoltaik, Solarthermie). Es kommt also darauf an, die Verwendungarten angemessen zu kombinieren mit der spezifischen Art der Energiequellen.

In der folgenden Abbildung wird dargestellt, wie der Energiefluss derzeit unser Produktions- und Wirtschaftssystem durchzieht (aus WESS 2011: 30).

Insgesamt schätzt Commoner ein, dass die Effizienz der Energienutzung (nach 2. HS) lediglich bei 15 % liegt. (ebd.: 135) Die bisherigen Effizienzsschätzungen (nach 1. HS) stellen die thermodynamischen Tatsachen sogar häufig auf den Kopf. So wird für die elektrische Raumheizung mit einer Effizienz von 95% geworben, dabei ist sie vom thermodynamischen Standpunkt aus am uneffektivsten.

Über die thermodynamische Effizienzmessung spricht auch Ayres in einem Vortrag (Ayres 2009):

Für energiepolitische Konzepte für alternative Produktionsweisen können wir aus den hier vorgestellten Gedanken (mindestens) folgende Schlüsse ziehen:

  • Wenn wir davon sprechen, dass auch bei einer Reduzierung des Energieverbrauchs „nicht alle Lichter ausgehen“, sondern grundsätzlich für alle Menschen dieser Erde ein „gutes Leben“ möglich ist, so beziehen wir ein Argument aus der Möglichkeit, die verwendete Energie wesentlich effizienter insb. in Hinsicht auf den 2. HS einzusetzen und zu verwenden.
  • Es geht also nicht nur darum, die benötigte Energiemenge irgendwie umwelt- und klimaverträglich sowie sozial gerecht zu „erzeugen“, sondern auch jeweils in der thermodynamisch geeigneten Energieart. Häufig wäre eine Fixierung auf Strom aus der Photovoltaik etc. gar nicht so günstig wie eine Umstellung von Heiz- und Kochvorgängen auf Solarthermie.

Commoner schlägt vor, eine „Enzyklopädie der Produktion“ zu erstellen, die bilanziert, welches Maß und welche Art von Arbeit, Energie und Kapital benötigt wird (ebd.: 136). Aus sachlich-thermodynamischer Sicht würde die Art und Weise der Produktion und auch der Produkte zur Befriedigung der Bedürfnisse dann sicher ganz anders aussehen.

Anfänge einer solchen „Enzyklopädie der Produktion“ entstehen derzeit im Projekt Wikichains, in dem möglichst alle Produktionsabläufe offenbart werden sollen, so für die Textil- und Bekleidungsindustrie.

Literatur:

Ayres, Robert (2009): Industrial Energy Efficiency Pays – Why isn´t it Happening? Energy Colloquia. http://www.multimedia.ethz.ch/lectures/mavt/2009/autumn/151-0259-00L

Commoner, Barry (1977): Energieeinsatz und Wirtschaftskrise. Die Grundlagen für den radikalen Wandel. Reinbek: Rowohlt.

Ebeling, Werner; Feistel, Reiner (1986): Physik der Selbstorganisation und Evolution. Berlin: Akademie-Verlag.

Hakenesch, Peter R.: Technische Thermodynamik. http://www.lrz.de/~hakenesch/thermodynamik/skript_thermo.pdf

Schlichting, H. Joachim (2000): Energieentwertung – ein qualitative Zugang zur Irreversibilität. Praxis der Naturwissenschaften/ Physik 49/2 (2000); 2-6. http://www.uni-muenster.de/imperia/md/content/fachbereich_physik/didaktik_physik/publikationen/energieentwertung.pdf

WESS: World Economic and Social Survey 2011. The Great Green Technological Transformation. (UN). http://www.un.org/en/development/desa/policy/wess/wess_current/2011wess.pdf