Einleitung

In diesem Kapitel werden die Konzepte von Energie, elektrischer Arbeit, Leistung und Wirkungsgrad behandelt. Es ist wichtig, zu Beginn eine klare Unterscheidung zwischen Energie und Arbeit zu treffen, da diese beiden Größen eng miteinander verbunden sind und sich sogar die selbe Einheit teilen, jedoch unterschiedliche Dinge beschreiben.

Am Beispiel eines Pumpspeicherkraftwerks (1) werden die unterschiedlichen Größen anschaulich voneinander abgegrenzt. Ein Pumpspeicherkraftwerk dient dazu, elektrische Energie in potentielle Energie umzuwandeln und umgekehrt. Sobald der elektrische Energiebedarf der Verbraucher geringer ist als das verfügbare Angebot, pumpt die elektrische Maschine des Pumpspeicherkraftwerks Wasser von einem niedrigeren auf ein höheres Niveau. Bei diesem Prozess wird die elektrische Maschine als (Pumpen)Motor betrieben. Dieser erzeugt über das magnetische Feld, welches durch einen elektrischen Strom in der Motorwicklung erzeugt wird, eine Drehbewegung, mit deren Hilfe das Wasser ins Oberbecken gepumpt wird. Der elektrische Motor wandelt also elektrische Energie (den Stromfluss durch die Motorwicklung) in mechanische Arbeit um (das Wasser wird in das Oberbecken gepumpt). Sobald das Wasser im Oberbecken angekommen ist, hat es ein höheres Potential als vorher im Unterbecken. Somit speichert das Wasser im Oberbecken potentielle Energie und zwar im Falle einer verlustfreien Pumpe, die mit einem verlustfreien Elektromotor angetrieben wird, genauso viel wie im elektrischen System als elektrische Energie zugeführt wurde. Die Energie innerhalb eines geschlossenen Systems muss nämlich gleich bleiben. In der Physik wird diese grundlegende Eigenschaft als Energieerhaltung bezeichnet.

Sobald die Nachfrage nach elektrischer Energie das Angebot übersteigt, wird das Wasser aus dem Oberbecken über eine Turbine abgelassen. Die Turbine wandelt also die vorher gespeicherte potentielle Energie des Wassers im Oberbecken in mechanische Arbeit um. Diese Arbeit verrichtet in der elektrischen Maschine eine Drehbewegung. Da die Maschine nun als Generator arbeitet, wandelt diese die an ihr verrichtete mechanische Arbeit in elektrische Energie um. Bei diesem Prozess kann über ein Schleusenventil im Oberbecken die Wassermenge, welche innerhalb einer gewissen Zeit durch die Turbine fließt, reduziert werden. Somit wird weniger potentielle Energie in mechanische Arbeit und somit elektrische Energie pro Zeit gewandelt. Die verrichtete Arbeit pro Zeit wird als Leistung bezeichnet. Die Leistung eines Systems gibt also an, wie viel Arbeit pro Zeit verrichtet werden kann. Sie ist eine wichtige Kenngröße elektrischer Systeme. Innerhalb der elektrischen Maschine wird ein Teil der zugeführten Energie im Leitungswiederstand in Wärme umgewandelt, welche in die Umgebung abgegeben wird. Ferner treten auch in den mechanischen Elementen (Pumpe, Turbine) sowie an den Wänden der Rohrleitungen Reibungsverluste auf, welche letztlich ebenfalls als Wärme in die Umgebung abgegeben werden. Folglich ist die Menge an elektrischer Energie, die dem System zugeführt wird immer größer als die Menge an elektrischer Energie, die dem System entnommen werden kann. Das Verhältnis der entnommenen zur zugeführten Energie wird als Wirkungsgrad beschrieben.

Im Folgenden werden die Begriffe der Energie, Leistung, elektrischer Arbeit und Wirkungsgrad detailierter erläutert. Für das Verständnis werden hier die Grundlagen aus dem vorherigen Kapitel zu Ladung, elektrischem Potential und elektrischer Stromstärke vorausgesetzt.