Energieflussdiagramme

Du hast sicherlich jetzt schon super viel zu Enerieumwandlung gelernt und kannst sicherlich eine ganze Energiekette an Umwandlungen runter-beten.

Es muss doch auch einen Weg geben, diese Umwandlungen schematisch kurz und knackig darzustellen? Ja - und genau dafür verwendest du Energieflussdiagramme.

Bei simpleclub lernst du, was es mit so einem Energieflussdiagramm auf sich hat, was es bedeutet und wie du es zeichnest.

Energieflussdiagramm einfach erklärt

Durch den Energieerhaltungssatz weißt du ja bereits, dass Energie nie verbraucht oder erzeugt, sondern immer nur umgewandelt wird.

Und um genau diese Energieumwandlungsprozesse nicht immer in einen langen Text verfassen zu müssen, nutzt du Energieflussdiagramme.

\rarr\rarr Mit diesen Energieflussdiagrammen kannst du also grafisch darstellen, wann welche Energie umgewandelt wird und wo.

Energieflussdiagramm Definition

Ein Energieflussdiagramm ist eine schematische Darstellung von Energieumwandlungsprozessen. Durch Pfeile, in denen die jeweilige Energieform steht, werden die Energieumwandlungen zwischen den (verschiedenen) Energieträgern systematisch abgebildet.


Energieflussdiagramm Erklärung

Energieumwandlung beim Generator

Du hast sicherlich schon einmal von einem Generator gehört. Das ist ein Gerät, dass aus einer Drehbewegung Strom erzeugt.

  • Du kennst solche Generatoren beispielsweise auch aus Windrädern. Sie werden vom Wind angetrieben und erzeugen dadurch Strom.
  • Generatoren sind aber auch beispielsweise ein Teil von Atomkraftwerken. Hier werden die (Dampf-)Turbinen der Generatoren aber nicht vom Wind, sondern vom Wasserdampf, angetrieben.

\rarr\rarr In beiden Fällen wird aber die kinetische Energie der Turbine über den Generator in elektrische Energie umgewandelt.

\boxed{E_{kin} \rightarrow E_{el} }EkinEel\boxed{E_{kin} \rightarrow E_{el} }

Energieumwandlungskette

Die obige Energieumwandlungskette ist natürlich noch viel länger! Denn die Energie entsteht ja nicht einfach von irgendetwas oder wird verbraucht. Die Energie kommt von einer vorherigen Umwandlung und wird auch weiterhin immer wieder (in andere Energieformen) umgewandelt.
\rarr\rarr Die Energieumwandlungskette ist also unendlich lang bzw. ein Kreislauf innerhalb eines Systems.

\boxed{ ... \rightarrow E_{kin} \rightarrow E_{el} \rightarrow ... }...EkinEel...\boxed{ ... \rightarrow E_{kin} \rightarrow E_{el} \rightarrow ... }

So kommt die kinetische Energie der Dampfturbine eines Atomkraftwerks beispielsweise aus der thermischen Energie des Wassers, das erhitzt wird.

Und die elektrische Energie des Generators wird zum Beispiel als chemische Energie in einer Batterie gespeichert.

\boxed{ ... \rightarrow E_{therm} \rightarrow E_{kin} \rightarrow E_{el} \rightarrow E_{chem} \rightarrow ... }...EthermEkinEelEchem...\boxed{ ... \rightarrow E_{therm} \rightarrow E_{kin} \rightarrow E_{el} \rightarrow E_{chem} \rightarrow ... }

\rarr\rarrDu könntest diese Umwandlungskette nun in beide Richtungen beliebig erweitern!

Energieumwandlungskette als Energieflussdiagramm

Diese Energieumwandlungsketten haben aber auch ihre Nachteile:

  • Sie werden irgendwann ziemlich unübersichtlich

  • Bisher ist noch nicht erkennbar, wer die Energieträger der jeweiligen Energieformen sind.

  • Außerdem wurde bisher nicht berücksichtigt, dass bei den meisten Energieumwandlungsprozessen ja auch ein Teil der Energie ungewollt in thermische Energie umgewandelt wird.

Um nun solche Energieumwandlungsketten besser darzustellen, nutzt man sogenannte Energieflussdiagramme.

  • Hier werden die jeweiligen Energieträger nacheinander in Boxen (oder hier in Sechsecken) angereiht und entweder verbildlicht oder beschriftet

  • Die Energieträger werden dann durch Pfeile verbunden, die die jeweiligen Energieformen darstellen
    \rarr\rarr Die ungewollten Energieumwandlungen werden hier mit nach unten gerichteten Pfeilen dargestellt

Die Umwandlungskette von oben kannst du nun hier als Energieflussdiagramm sehen. Du siehst hier zunächst den Prozess im Kraftwerk und anschließend wie diese elektrische Energie dann für einen Elektro-Hubschrauber verwendet wird:

Verschiebe den Regler.

Wichtig: So eine Energieumwandlungskette hat an sich kein Anfang und kein Ende, denn Energie wird ja weder "produziert" noch "verbraucht", sondern immer nur umgewandelt.
Nichtsdestotrotz musst du deine Kette ja irgendwo anfangen zu zeichnen und auch irgendwo beenden. Behalte aber immer im Hinterkopf, dass es eigentlich kein Anfang und Ende gibt.

Energieumwandlungskette als Text

Du kannst dir die Energieumwandlungskette aber auch als Text aufschreiben:

Energieumwandlung im Kernkraftwerk:

  1. Durch Spaltung von Atomkernen wird **chemische Energie** übertragen.

  2. In den **Kernreaktoren** bekommen die Atome dadurch eine hohe **kinetische Energie**, wobei ein Teil der Energie aber in nicht-nutzbare radioaktive Strahlung (***Strahlungsenergie***) umgewandelt wird, die für uns Menschen ein großes Problem darstellt.

  3. Diese Teilchen mit hoher kinetischer Energie werden dann im **Wasser** des Kernreaktors abgebremst, sodass sich das Wasser erwärmt und verdampft. Die Energie wird also in **thermische Energie** umgewandelt. Dadurch wird auch die Umgebung mit erwärmt, wobei diese thermische Energie nicht weiter genutzt werden kann.

  4. Der Wasserdampf treibt nun die **Dampfturbinen** an (was du in der Animation oben schon gesehen hast), welche sich dadurch drehen. Die Energie wird also in **kinetische Energie** umgewandelt. Ein Teil der thermischen Energie des Dampfes wird auch hier ungenutzt an das Kühlwasser abgegeben.

  5. Am Ende wird nun mithilfe eines **Generators** die kinetische Energie in **elektrische Energie** umgewandelt Auch hier entstehen durch die Reibung der Turbinen ungewollte thermische Energieumwandlungen.

Energieumwandlung Elektro-Hubschrauber:

  1. Weiter geht die Energiekette beispielsweise, indem mit der elektrischen Energie vom Kraftwerk nun der **Akku** eines Elektro-Hubschraubers geladen und dadurch in **chemische Energie** umgewandelt wird.

  2. Kommt der Elektro-Hubschrauber dann zum Einsatz, wird die chemische Energie des **Akkus** wieder in **elektrische Energie** zurückgewandelt.

  3. Diese elektrische Energie wird genutzt, um den **Elektromotor** zu betreiben, der die elektrische Energie in **kinetische Energie** (in Form von Drehung) umwandelt.

  4. Mit dieser kinetischen Energie werden die **Rotorblätter** des Hubschraubers gedreht, welche den Elekto-Hubschrauber abheben lassen, sodass er an Höhe und damit an **potentieller Energie** gewinnt.

  5. [...] Die Energiekette könnte noch beliebig weitergeführt werden.


Energieflussdiagramm Beispiel

Aufgabe

Eine Batterie betreibt einen Elektromotor, der wiederum eine Seilwinde mit einem Gewicht daran dreht.

Wie sieht das entsprechende Energieflussdiagramm aus?

Batterie mit Elektromotor mit Seilwinde

Lösung

Das zugehörige Energieflussdiagramm würde so aussehen:

Energieflussdiagramm Seilwinde

Durch chemische Prozesse (**chemische Energie**) in der **Batterie**, wurde diese geladen. Deshalb kann sie nun **elektrische Energie** in Form von Strom an den **Elektromotor** übertragen.

Der Elektromotor fängt sich duch die Stromzufur an zu drehen und wandlet damit die Energie in kinetische Energie um.

Durch die Drehung wird die **Seilwinde** ebenfalls gedreht, die diese kinetische Energie nun in **potentielle Energie** umwandelt, da sie das Gewicht nach oben zieht, welches dadurch ja an Höhe(nenergie) gewinnt.

Beachte: Du darft nicht vergessen, dass bei fast allen Umwandlungen auch wieder ein Teil der Energie in nicht-nutzbare thermische Energie umgewandelt wird. Diese Prozesse musst du auch in deinem Energieflussdiagramm durch die nach unten gerichteten Pfeile berücksichtigen.

Energieflussdiagramm Zusammenfassung

Mithilfe von Energieflussdiagrammen können Energieumwandlungsketten schematisch übersichtlich dargstellt werden.

Die Energieumwandlungen werden mithilfe von Energie-Pfeilen vor und nach dem jeweiligen Energieträger dargestellt.
Dabei werden auch ungewollte Energieumwandlungen durch nach unten gerichtete Pfeile berücksichtigt.

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