Exergetische Sicht einer Elektroheizung?
Kann mir jemand erklären warum, zumindest heißt es so in der Vorlesung, eine Elektroheizung so viel schlechter ist als z.B. eine Wärmepumpe aus exergetischer Sicht. Ich weiß, dass elektrische Energie reine Exergie ist. Es hieß in der Erklärung, dass die Exergieverluste in einer Wärmepumpe deutlich weniger sind als in einer E-Heizung weil man bei der Wärmepumpe gratis Anergie aus der Umgebung bekommt. Aber bei einer E-Heizung liegt diese Anergie ja auch in der Umgebung vor und man nutzt die (elektrische) Exergie um die Temperatur der Umgebung anzuheben.
4 Antworten
Eine Wärmepumpe ist im Prinzip eine umgekehrte Wärmekraftmaschine: statt aus der Temperaturdifferenz zweier Wärmereservoirs Exergie zu gewinnen, steckt man Exergie hinein, um eine Temperaturdifferenz zweier Wärmereservoirs herzustellen. Entsprechend ist der Wirkungsgrad der Wärmepumpe idealerweise der Kehrwehrt des Wärmekraftmaschinen-Wirkungsgrades und liegt in der Praxis über 2. Der Wirkungsgrad einfach zu Wärme dissipierter Exergie hingegen ist immer 1.
und man nutzt die (elektrische) Exergie um die Temperatur der Umgebung anzuheben
es soll Leute geben, die mit offenen Fenstern ihren Vorgarten heizen, aber gewollt ist das nicht.
Aber bei einer E-Heizung liegt diese Anergie ja auch in der Umgebung vor und man nutzt die (elektrische) Exergie um die Temperatur der Umgebung anzuheben.
Da scheint ein Denkfehler vorzuliegen. Das Zimmer/Wohnung, das wir heizen, können wir als geschlossenes System betrachten, dessen innere Energie erhöht oder zumindest aufrecht erhalten werden soll, indem innen im System eine höhere Temperatur herrscht, als in der Umwelt, also draußen. Da das Zimmer nicht adiabat ist, geht durch die Systemgrenzen (Wände und Fenster) Wärme verloren. Diese entfleuchte Wärme muss durch die Heizung ersetzt werden. Die Umgebung ist das kalte Wetter draßen und dessen Temperatur wollen wir durch die Heizung nicht anheben, weil schon der Versuch sinnlos wäre.
Die Wärme, die verloren geht, besteht aus einem Exergie- und einem Anergiestrom. Der jeweilige Anteil lässt sich aus der Temperaturdifferenz Innen/Außen berechnen, wobei der Exergieanteil der kleinere Anteil von beiden ist.
Die Heizung hat nun die Aufgabe, das System stationär zu halten, also die Wärme, die verloren geht, zu ersetzen. Dabei ist es so, dass der Exergieanteil, der zugeführt werden muss, mindestens so groß ist wie die der Exergiestrom durch die Wände nach außen. Da kommen wir nicht drumrum und für diese Exergie müssen wir auf jeden Fall bezahlen. Den großen Anteil des Anergiestromes an den Wärmeverlusten können wir theoretisch aus der Anergie der Umgebng (draußen) ersetzen, denn in der Umwelt gibt es unendlich viel Anergie, die zudem nichts kostet.
Thmerodynamisch gesehen gibt es nun für die Heizung der Wohnung folgende sinnvolle Maßnahmen. Zuerst sorgen wir für eine gute Isolierung, damit der Wärmeverlust und damit der Exergieverluststrom nicht so groß ist. Dann heizen wir nur auf eine möglichst niedrige Temperatur, damit der Anteil der Exergie an den Wärmeverlusten möglichst klein ist. Als letztes verwenden wir eine Wärmepumpe, die die erforderliche Anergie über einen Wärmetauscher aus der Umwelt bezieht und nur soviel Exergie verbraucht, wie dem Exergieverluststrom entspricht. Diese ideale WP gibt es natürlich nicht, weil in jeder WP technische Verluste entstehen, die mit zusätzlichem Stromverbrauch ausgleichen müssen.
Das thermodynamisch absolut sinnloseste beim Heizen besteht nun darin, die erforderliche Anergie nicht aus der Umwelt zu ziehen, sondern durch die Dissipation von elektrischer Exergie zu erzeugen. Noch unsinniger ist es, den Exergieverluststrom dadurch stark zu erhöhen, dass während des Heizens ein Fenster offen ist.
Nein, mit einer elektrischen Widerstandsheizung "hebst" du nicht "die Temperatur der Umgebung"! Sie setzt einfach 100% der elektrischen Energie direkt in die Erwärmung der Teile um, durch die der Strom fliesst.
Eine Wärmepumpe hingegen pumpte eben Wärme von einem Ort zum andern. Sie hebt also die Temperatur an einem Ort, während dem sie an einem andern Ort sinken muss. Dazu muss mechanische Arbeit geleistet werden (die eben von einem elektrisch betriebenen Kompressor kommen kann).
Die investierte mechanische Arbeit (oder eben elektrische Energie)
ergibt beim Heizen zusätzlich nutzbare Wärme, oder
fällt beim Kühlen als zusätzliche Verlustwärme (nebst der entzogenen Wärme) an.
Bei einer Wärmepumpe wird nur ein Teil der elektrischen Energie direkt in Wärme umgewandelt.
Der größte Teil der elektrischen Energie brewegt einen Kompressor (wie im Kühlschrank) und pumpt dabei die Wärme von der einen zur anfderen Seite.
Dabeui ist der Gewinn an Wärme deutlich größer als bei einer rein elektrischen Heizung.
Also hat der bessere exergetische Wirkungsgrad der Wärmepumpe eher was damit zu tun, dass ich die elektrische Exergie nutze um den Verdichter zu betreiben und darüber eine höhere Wärmeausbeute habe als wenn ich diese elektrische Exergie nutze um daraus direkt Wärme zu erzeugen ?