Abwärme

Nach dem Ohmschen Gesetz erzeugt jeder stromdurchflossene Leiter, also nahezu jedes elektrotechnische Bauteil, eine Verlustwärme. Damit muss Abwärme aus jedem Elektrogerät und jeder elektrotechnischen Anlage abgeführt werden. In einem Elektromotor mindert neben mechanischer Reibung der bewegten Teile der Innenwiderstand der stromdurchflossenen Wicklung die über die Welle abgegebene mechanische Leistung ${\displaystyle P_{\mathrm {m} }}$. Für einen Elektromotor lässt sich daher ein Wirkungsgrad der Energiewandlung definieren, in den neben den Reibungsverlusten ${\displaystyle P_{\mu }}$ auch die Verlustleistung des Innenwiderstand ${\displaystyle R}$ der Spulen ${\displaystyle P_{R}}$ negativ eingeht.

${\displaystyle \eta _{\mathrm {m} }={\frac {P_{\mathrm {m} }}{P_{\mathrm {el} }}}={\frac {P_{\mathrm {el} }-P_{\mu }-P_{R}}{P_{\mathrm {el} }}}}$

In der Konsequenz werden auch Reibungsverluste in Abwärme umgewandelt (Dissipation), sodass die mechanische Leistung um die gesamte Abwärmeleistung

${\displaystyle {\dot {Q}}_{\mathrm {ab} }=P_{\mu }+P_{R}}$

vermindert wird:

${\displaystyle \eta _{\mathrm {m} }={\frac {P_{\mathrm {el} }-{\dot {Q}}_{\mathrm {ab} }}{P_{\mathrm {el} }}}=1-{\frac {{\dot {Q}}_{\mathrm {ab} }}{P_{\mathrm {el} }}}}$

Auf gleiche Weise kann man Verluste in anderen elektrotechnischen Energiewandlern als Abwärmeleistung berücksichtigen. Geräte der Informationstechnik (wie CPU, Router etc.) hingegen sind selten Energiewandler. Abgesehen von Umwandlungen in Schall oder elektromagnetische Strahlung (Licht, Radiowellen) zur Signalübertragung geben sie ihre aufgenommene elektrische Leistung vollständig als Abwärme ab. Ihre Effizienz lässt sich nicht in einem Wirkungsgrad ausdrücken, sondern wird vielmehr durch den Bedarf an elektrischer Energie bestimmt.

Beispiele

• Bei Glühlampen überwiegt die Abwärmeerzeugung bei weitem die Erzeugung von Licht. Ihr Wirkungsgrad liegt daher bei wenigen Prozent.
• CPUs wandeln die aufgenommene elektrische Leistung vollständig in Abwärmeleistung um. Da diese durch freie Konvektion nicht ausreichend abtransportiert wird, werden leistungsstarke Prozessorkühler eingesetzt.

In wärmetechnischen Anlagen ist Abwärme häufig das Ergebnis real nur beschränkt umsetzbarer Dämmung oder in der Realität auftretender Verluste bei der Wärmeübertragung. Abwärme ist hier ein Verlust an Heizwärme.

Beispiele

• Die Heizwendel in einem Wasserkocher erwärmt nicht nur das eingefüllte Wasser, sondern auch den Werkstoff und die umgebende Luft.
• Ein Verbrennungsmotor erzeugt Abwärme, die neben dem Weg über den Abgasstrang über den Kühler abgegeben wird, da Verbrennungswärme auch an Kolben, Ventile und Zylinderwände usw. abgegeben wird.

Wärmemaschinen wie Wärmekraftwerke, Verbrennungsmotoren usw. können nicht betrieben werden, ohne Abwärme an die Umgebung abzugeben. Nach dem Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik können Wärmemaschinen keine Arbeit verrichten, ohne dabei eine Temperaturdifferenz zu erzeugen. Solche Anlagen müssen Abwärme demnach auf niedrigem Temperaturniveau abgeben können, um zu funktionieren. Da eine Wärmeübertragung spontan (d. h. von selbst, ohne Arbeitsaufwand) aber nur in Richtung eines Temperaturgefälles abläuft und beim Betrieb eines Kraftwerks ein Gewässer oder die Erdatmosphäre (über Kühltürme) als einzige natürliche Wärmesenke mit niedrigster Temperatur dienen kann, fällt Abwärme hier immer auf Temperaturen oberhalb der Umgebungstemperatur an.

Laut Carnot-Wirkungsgrad steigt der Wirkungsgrad einer Wärmemaschine mit sinkender Temperatur auf der kalten, der wärmeabgebenden Seite. Je niedriger das Temperaturniveau dieser Abwärme, desto höher auch der Wirkungsgrad der Wärmemaschine. Bei Wärmekraftwerken und so auch allen Varianten, (Ab-)Wärme mithilfe von Kreisprozessen zu nutzen, ist man daher bemüht, die Temperatur der Wärmeabgabe so weit wie möglich an die Umgebungstemperatur heranzuführen.

Beispiele

• Ein Verbrennungsmotor gibt Abwärme hauptsächlich über den Abgasstrang ab, da die Verbrennungswärme nicht vollständig bei der Expansion genutzt werden kann.
• Wird die Abgaswärme des Verbrennungsmotors in einem Blockheizkraftwerk weiter zur Wassererwärmung genutzt, kann die Abwärme verringert und der Brennstoffeinsatz verbessert werden. Der Carnot-Wirkungsgrad des Gesamtprozesses (Nutzungsgrad) erhöht sich, da die Temperatur sinkt, bei der das Gesamtsystem Wärme an die Umgebung abgibt.
• Im Hochsommer muss die Leistung von Wärmekraftwerken, die ihre Abwärme in Flüsse oder Seen abgeben, gedrosselt werden, damit die Wassertemperaturen nicht zu stark ansteigen. In wärmerem Wasser ist weniger Sauerstoff gelöst, was Fische und andere Organismen gefährden würde.
• Im Winter ist der Wirkungsgrad der meisten Wärmekraftwerke wegen der niedrigeren Umgebungstemperaturen höher, da Abwärme bei niedrigeren Temperaturen als im Sommer abgegeben werden kann.
• Die Abwasserwärmerückgewinnung aus der Kanalisation kann wegen ihrer gleichmäßigen Temperatur zu einem rentablen Heizungsbetrieb einer Wärmepumpe beitragen.