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6 2 Grundlagen
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2 Grundlagen
2.1 Effizienz der Energieumwandlung – Carnot-Prozess
Eine effizientere Nutzung von Energieträgern ist ein wesentliches Ziel der heutigen Energieforschung.
Im Hinblick auf eine effizientere Umwandlung einer Energieform in eine Andere
besitzt die Brennstoffzelle erhebliches Potenzial. Dies ist eine wesentliche Motivation für die
Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten im Bereich der Brennstoffzelle. Die Effizienz der
Umwandlung von einer Energieform in eine Andere wird über den Wirkungsgrad angegeben,
der die eingesetzte und die nutzbare Energie in Relation setzt. Er ergibt sich aus der Beschreibung
der Umwandlung durch den 1824 von Carnot eingeführten Kreisprozess, der damit historisch
gesehen das wissenschaftliche Gebiet der Thermodynamik begründete. Aufgrund seiner
fundamentalen Bedeutung für die Energieforschung im Allgemeinen und die Brennstoffzellenforschung
im Speziellen wird dieser im Folgenden kurz beschrieben.
Der Carnot-Prozess ist ein rein theoretischer Prozess, dessen Wirkungsgrad von keinem realen
thermodynamischen Kreisprozess, für den T ges = 0 gilt und wobei sich ein Arbeitsstoff
zwischen zwei Temperaturen T h und T k (mit T h > T k ) bewegt, übertroffen werden kann. T h ist
dabei die konstant hohe Temperatur eines Wärmereservoirs (aus dem der Arbeitsstoff Wärme
aufnimmt) und T k die konstant niedrige Temperatur eines anderen Wärmereservoirs (an das
der Arbeitsstoff Wärme abgibt). Der Arbeitsstoff erreicht nach vollständigem Durchlauf des
Prozesses wieder den Ausgangszustand. Alle Zustandsgrößen, wie Temperatur T, Druck p,
Volumen V und innere Energie U sind wieder so groß wie zu Beginn des Prozesses. Der
Prozess ist theoretisch als ideale Wärmekraftmaschine oder in umgekehrter Richtung als ideale
Wärmepumpe denkbar. Aufgrund dieser Umkehrbarkeit wird er als reversibel bezeichnet.
Der Kreisprozess kann mit einem idealen Gas als Arbeitsstoff wie folgt beschrieben werden
(vgl. pV-Diagramm in Abb. 2.1):
1. Zustandsänderung: Isotherme Kompression (12 im pV-Diagramm)
Durch Kontakt mit dem kalten Wärmereservoir wird dem Gas bei konstanter
Temperatur (isotherm) eine Wärmemenge Q 1,2 entzogen. Dadurch verringert sich das
Volumen.
2. Zustandsänderung: Adiabatische Kompression (23 im pV-Diagramm)
Das Gas wird mittels mechanischer Arbeit (ohne Entropieänderung) verdichtet und
dadurch auf ein höheres Temperaturniveau T h gebracht. Dies geschieht ohne
Austausch von thermischer Energie (adiabatisch) und reibungsfrei (Q 2,3 = 0).
3. Zustandsänderung: Isotherme Expansion (34 im pV-Diagramm)
Durch Kontakt mit dem heißen Wärmereservoir wird dem Gas die Wärmemenge Q 3,4
zugeführt. Dadurch expandiert das Gas bei konstanter Temperatur T h .
4. Zustandsänderung: Adiabatische Expansion (41 im pV-Diagramm)
Das Gas expandiert isentrop (Q 4,1 = 0) unter Verrichtung mechanischer Arbeit, bis der
Ausgangszustand wieder erreicht wird.