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Energieumwandlungen und Wärmeabgabe im Erdsystem

Die Sache mit der Thermodynamik

Damit ist klar: Es steht nur so viel erneuerbare Energie zur Verfügung, wie uns die Erde und ihre natürlichen Umwandlungsprozesse liefern. Diese Prozesse sind es auch, die bestimmen, wie viel dieser Energien maximal genutzt werden können. Begrenzt wird dieses Energieangebot zudem durch die Gesetze der Physik, insbesondere durch die beiden Hauptsätze der Thermodynamik.

Kohlekraftwerk © BMU

Der erste Hauptsatz ist der Energieerhaltungssatz. Er beschreibt die Tatsache, dass in einem System Energie nicht vernichtet werden kann oder verschwindet. Stattdessen kann sie nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden. Ein Kohlekraftwerk wandelt beispielsweise die Wärme der Verbrennung in Bewegungsenergie der Turbinen und Generatoren um, und diese dann in elektrischen Strom plus Abwärme. Auch das System Erde gehorcht diesem Hauptsatz: Die Energie, die durch das Sonnenlicht eingestrahlt wird, wird nur umgewandelt und letztlich als Wärmestrahlung wieder von der Erde ans Weltall abgegeben.

Zunehmende Entropie

Dann gibt es aber noch den zweiten Hauptsatz. Dieser gibt den Energie-Umwandlungen eine Richtung, eine Art Hierarchie. Demnach nimmt im Laufe der Zeit die Entropie zu – alles strebt vom geordneten zum ungeordneteren Zustand. In Energieformen ausgedrückt bedeutet dies, dass einzelne Prozesse, wie beispielsweise die Photosynthese der Pflanzen, zwar durchaus eine höhere Ordnung in Form von komplexen Molekülen erzeugen können. Sie, wie auch alle anderen lebenden Organismen stemmen sich quasi kurzzeitig gegen den Strom zunehmender Entropie.

Ein Großteil der vom Sonnenlicht eingestrahlen Energie geht als ungerichtete Wärmestrahlung wieder ins All zurück © MMCD

Insgesamt aber muss das System Erde aber dem zweiten Hauptsatz gehorchen. Es muss am Ende daher eine ungeordnetere Energieform abgeben als es aufgenommen hat. Und das passiert auch – in Form der Abwärme. Denn die ins All abgegebene Wärmestrahlung ist langwelliger und energieärmer – ihre Entropie ist damit im Vergleich zu dem konzentrierten, energiereicheren Sonnenlicht höher.

Damit setzt der zweite Hauptsatz der maximalen Leistung unseres Planeten eine feste Grenze: Seine Abwärme muss mindestens so viel Entropie exportieren muss wie durch das Einbringen von Wärme dem System hinzugefügt wird.

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Axel Kleidon, Max-Planck-Institut für Biogeochemie, Jena / MPG Jahrbuch
Stand: 31.10.2013

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Kraftwerk Erde
Wie das Erdsystem erneuerbare Energien erzeugt und Grenzen der Nutzung setzt

Die Erde als Kraftwerk
Das Sonnenlicht macht den Anfang

Die Sache mit der Thermodynamik
Energieumwandlungen und Wärmeabgabe im Erdsystem

Wirkungsgrad zwei Prozent
Wie hoch ist die maximale Leistung aus erneuerbaren Energien?

Wie viel bleibt übrig?
Solar- und Windenergie bringen am meisten

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