Energieumwandlung und Energieerzeugung
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Die Begriffe Energieumwandlung und Energieerzeugung werden im Allgemeinen zwar unterschiedlich verwendet, sind jedoch im naturwissenschaftlichen bzw. technischen Sinne nahezu identisch, wenn man den allgemeinen, mitunter auch falschen Sprachgebrauch unterstellt. Energie kann nicht "erzeugt" werden, sie kann lediglich in unterschiedliche Erscheinungsformen umgewandelt werden. Im Sprachgebrauch wird die Stromerzeugung jedoch oft (fälschlicherweise) als Energieerzeugung bezeichnet. Wenn von Energieerzeugung die Rede ist, muss korrekterweise grundsätzlich dazu gesagt werden, welche Energieform (aus welcher anderen) erzeugt wird.
Energie kann in verschiedenen Formen wie zum Beispiel kinetischer Energie oder thermischer Energie auftreten und auch von einer Form in die andere umgewandelt werden. Verschiedene Arten solcher Energieumwandlungen werden im Artikel Energie aufgelistet und näher erläutert. Ein Beispiel ist die Reibung, die kinetische Energie in thermische umwandelt. Man kann formal davon sprechen, dass dabei Energie der einen Form vernichtet und gleichzeitig Energie der anderen Form erzeugt wird. Für die Gesamtenergie gilt dabei stets der Energieerhaltungssatz, für die einzelnen Energieformen gilt er jedoch nicht. Es ist daher möglich, kinetische Energie zu „vernichten“, weil es keinen Erhaltungssatz für kinetische Energie gibt, aber es muss dann gleichzeitig Energie gleichen Betrags in einer anderen Form „erzeugt“ werden, um den Erhaltungssatz für die Gesamtenergie zu erfüllen. Da dieser Zusammenhang jedoch meist nicht in dieser Form geläufig ist, sich Vernichtung der einen und Erzeugung der anderen Energieform insgesamt betrachtet gegenseitig aufheben und auch Ausdrücke wie Vernichtung von kinetischer Energie leicht falsch verstanden werden, verzichtet man in der Regel auf eine solche Terminologie (siehe aber z.B. den Sprachgebrauch bei Tosbecken).
Der Begriff der Energieerzeugung wird mehr oder weniger fachlich korrekt meist für eine spezielle Form der Energieumwandlung verwendet, bei welcher eine für den Menschen nicht oder schlecht nutzbare Energieform in eine für ihn besser oder sogar universell einsetzbare Energieform umgewandelt wird. Bei letzterer handelt es sich in der Regel um Elektrizität; gewonnen wird sie meist aus thermischer oder mechanischer Energie. Auch diese Energieformen unterliegen dabei bezüglich der Gesamtenergie dem Energieerhaltungsatz, es wird also im eigentlichen Sinne keine Energie erzeugt. Aus diesem Grund meidet man im wissenschaftlichen Sprachgebrauch den Begriff der Energieerzeugung, welcher dennoch in technischen Anwendungsfeldern und besonders in der Energiewirtschaft (Stromerzeugung), nach obiger Bedeutung, seine Anwendung findet.
Die gleiche Überlegung gilt in ähnlicher Weise auch für die Begriffe Energieverbrauch, Energieverschwendung, Energiesparen und Energieverlust.
In ihrer Freiheit werden Energieumwandlungen durch den Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik eingeschränkt. Betrachtet man demnach ein abgeschlossenes System, so können immer nur Energieumwandlungen ablaufen, bei denen die Gesamtentropie mindestens gleich bleibt oder (wie in der Praxis stets der Fall) ansteigt. Die verschiedenen Energieformen weisen dabei einen unterschiedlichen Ordnungsgrad auf, weshalb beispielsweise Energieformen niedriger Ordnung wie die thermische Energie nicht beliebig in Energieformen höherer Ordnung wie der elektrischen Energie umgewandelt werden können. Hierzu kann es nur kommen, sofern andere Prozesse letztendlich dennoch ein Ansteigen der Gesamtentropie bedingen.
Beispiel 1: Ein Elektromotor hebt ein Gewichtsstück an, es wird elektrische Energie in potentielle Energie umgewandelt. Beide Energieformen tragen keine Entropie, so dass sie theoretisch vollständig ineinander umwandelbar wären (Gesamtentropie bliebe gleich). Technische Unzulänglichkeiten führen immer zu gewissen Verlusten (Umwandlungsverlusten), von denen der größte Teil als Wärme in Erscheinung tritt. Die mit dieser Wärme verbundene und im Prozess erzeugte Entropie stellt das vom Zweiten Hauptsatz in realen Prozessen geforderte Anwachsen der Gesamtentropie sicher. Die Verluste können mit hinreichendem Aufwand beliebig klein gemacht wenn auch in der Praxis nicht völlig vermieden werden.
Beispiel 2: Eine Dampfturbine treibt einen elektrischen Generator an, es wird thermische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Die der Turbine bei der Temperatur T1 zugeführte Wärme ΔQ1 trägt die Entropie ΔS1 = ΔQ1/T1 mit sich. Die erzeugte elektrische Energie ΔW trägt keine Entropie. Würde die gesamte Wärme in elektrische Energie umgewandelt, so würde dabei die Entropie ΔS1 verschwinden, was aber dem Zweiten Hauptsatz widerspräche. Die Turbine muss also eine Abwärme ΔQ2 mit der Temperatur T2 abgeben, welche mindestens die Entropie ΔS1 trägt. Es gilt daher für die Energie: ΔQ1 = ΔW + ΔQ2 und für die Entropie: ΔS2 ≥ ΔS1 ⇔ ΔQ2/T2 ≥ ΔQ1/T1. Aus der zweiten Gleichung folgt ΔQ2 ≥ ΔQ1 · T2/T1. Diese Abwärmeverluste ΔQ2 sind wegen des Zweiten Hauptsatzes zwingend notwendig und können bei vorgegebenen Temperaturen T1 und T2 durch keine technischen Maßnahmen unterschritten werden. Dazu kommen noch technisch bedingte Umwandlungsverluste. Die Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie oder eine andere entropiefreie Energieform ist daher grundsätzlich verlustbehaftet.
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