Energieeffizienz in der Küche (2)

Warum man nicht mit der Mikrowelle Auftauen sollte? - Oder wozu man Abiturwissen nutzen kann!
Der Auftauvorgang von Wasser wird als thermodynamischer Prozess beleuchtet und mathematisch aufbereitet.

Teilnehmer der Projektgruppe: Alexandra Maximowa, Ulricke Köppe, Norman Kühn (12. Klasse im Schuljahr 2008/09)

Eine Mikrowelle ist heute in fast jedem Haushalt anzutreffen. Mit ihrer Hilfe kann man einerseits eine Vielzahl von Fertiggerichten schnell zubereiten (deren häufiger Verzehr sicherlich nicht ratsam ist, aber dies ist nicht Gegenstand unseres Projektes) und andererseits wird sie häufig zum Auftauen (Brot, Gemüse, Fleisch, ...) eingesetzt.
Wir stellten uns zunächst die Frage, wie wird der Vorgang des Auftauens physikalisch erklärt und wie lässt sich die dafür notwendige Energie berechnen. Das Modellobjekt für unsere Überlegungen ist eine Wassermenge von 500g. Dieses ist in der Regel der Hauptbestandteil vieler Lebensmittel, so dass die hierfür berechneten Werte, denen realer Objekte schon ziemlich nahe kommen und gleichzeitig die Überlegungen relativ einfach nachvollziehbar bleiben. Unter dem Prozess des "Auftauens" wollen wir Folgendes verstehen.
Das Gefriergut wird aus dem Tiefkühlschrank bei -18°C entnommen und der Gesamtvorgang ist abgeschlossen, wenn die Zimmertemperatur von 20°C erreicht ist. Eigentlich ist der Vorgang ja bereits bei 0°C abgeschlossen, wenn kein Eis mehr vorliegt, aber für unserer Energieeffizienzbetrachtungen sind diese Annahmen, wie sich zeigt, sinnvoller.
Grundsätzlich erhöht sich bei diesem Vorgang in Folge der Wärmezuführ die innere Energie des Wassers. Diese hat zwei Bestandteile, die kinetische Energie der Teilchen des Stoffes, die die Teilchenbewegung erfasst und sich in der Tempratur des Körpers bemerkbar macht sowie die potentielle Energie der Teilchen des Stoffes, die die Bindungen zwischen den Teilchen erfasst und sich unter anderem im Aggregatzustand bemerkbar macht.
Physikalisch kann der eben beschriebene Prozess in drei Teilprozesse unterteilt werden die nun im Einzelnen betrachtet werden.

Überlegungen zur Energieeffizienz

Der eben beschriebene gesamte Vorgang benötigt also etwa 227 kJ an Energie, davon entfallen auf die einzelnen Teilprozesse die im Kreisdiagramm dargestellten Anteile.

Diese Energie kann man auch ohne Mikrowelle bekommen. Hierbei hilft uns wieder die Physik und zwar durch den den 2.Hauptsatz der Thermodynamik, der einen von selbst stattfindenden Temperaturausgleich bewirkt. Man braucht nämlich das Wasser nur aus dem Gefrierfach zu nehmen und durch die höhere Zimmertemperatur findet der Vorgang des Auftauens von selbst statt, da die wärmere Umgebung einen Wärme- und Entropiestrom in das gefrorene Eis bewirkt. Dieser Vorgang ist erst dann abgeschlossen, wenn das Wasser die gleiche Temperatur wie die Umgebung hat. Die dabei vom Wasser aufgenommene Energie ist zumindet außerhalb der Heizperiode umsonst und auch wenn man die Heizkosten berücksichtigt ist diese Energie mit Sicherheit kostengünstiger als die durch die Mikrowelle aufgenommene elektrische Energie.
Der Nachteil ist allerdings, dass der Vorgang wesentlich länger dauert, als bei Verwendung der Mikrowelle. Die Dauer des Auftauens mit der Mikrowelle und durch die Umgebung haben wir dann am Beispiel untersucht. Dies wird weiter unten noch dargestellt.

Modellrechnung zum Spareffekt

Wenn man also durch vorausschauendes Handeln sein Gefriergut rechtzeitig aus der Gefrierschrank entnimmt, dann kann man pro Kilogramm Gefriergut ca. 454 kJ (0,13 kWh) an Elektroenergie einsparen. Das klingt zunächst nicht viel, aber die folgenden Berechnungen sollen zeigen, dass dies sowohl aud Kostengründen für den Haushalt als auch für dier Verminderung der CO2 Emissionen bedeutsam ist.
Folgende Parameter legen wir unseren Berechnungen zu Grunde.

In Deutschland gibt es ca. 40 Mio Haushalte.
Pro Haushalt werden etwa 100 kg Gefriergut aufgetaut.
Die durchschnittliche CO2 Emission für 1kWh Elektroenergie beträgt ca. 300g.
Die Kosten für 1kWh Elektroenergie beträgt ca. 0,2 €.

Energiespareffekt in Deutschland

40 Mio (Haushalte) x 100 (kg Gefriergut) x 0,13 kWh = 520 000 000 kWh

Kostenersparnis

520 000 000(kWh) x 0,2 € = 104 Mio €

Emissionsverringerung

280 000 (kWh) x 0,3 kg = 156 000 000 kg (156 000 t)

Sicherlich sind diese Zahlen gemessen an der Gesamtproblematik der Verringerung der C02 Emission sehr gering, aber genau wie der gegenwärtige C02 Ausstoß aus einer Vielzahl von Ursachen entsteht, zu denen auch unsere Gewohnheiten gehören, muss sich auch die Veringerung aus vielen kleinen Maßnahmen zusammen setzten.

Praktische Überprüfung

Wir füllten zunächst zwei Wassermengen zu 500g in gleiche Gefässe und froren diese ein. Anschließend tauten wir dieses Wasser einmal bei Zimmertemperatur und eimal mit einer Mirkrowelle mit 900 W Nennleistung auf.

Bei einer Nennleistung von 900 W müsste die Mikrowelle 227 000 (Joule) : 900 (Watt) = 252 (Sekunden) also 4 min 12 s benötigen, um das Wasser auf Zimmertemperatur zu erwärmen. Dies ist aber ein theoretischer Wert, der in der Praxis nicht erreicht wird, weil der Wirkungsgrad geringer ist. Praktisch war nach dieser Zeit noch ein Teil des Wassers gefroren.

Nach weiteren 2 Minuten war immer noch ein Teil des Wassers gefroren, aber nach kurzer Durchmischung (keine gleichmäßige Wärmeverteilung) erreichten wir eine Wassertemperatur von ca. 28°C und das Eis war vollständig geschmolzen. Praktisch erhöht sich damit unsere oben angegebene Modelrechnung um einen Faktor von ca. 1,2 bis 1,4.

Das Auftauen der gleichen Wassermenge durch die Umgebungstemperatur dauerte ca. 6 Stunden.

Zustand nach 1,5 Stunden

Zustand nach 3 Stunden

Wenn man hygienische Bedenken beim Auftauen bei Zimmertemperatur hat, kann man das Auftauen auch im Kühlschrank bei ca. 6°C vollziehen, dann dauert es allerdings wegen der geringeren Temperaturdifferenz noch länger.

Erklärung des physikalischen Vorgangs	Mathematische Berechnung
Teilprozess 1 - Erwärmen des Eises von -18°C auf 0°C Zu Beginn des Vorgangs liegt das Wasser im festen Aggregatzustand vor. Die Wassermoleküle sind in einem Kristallgitter fest miteinander verbunden. Sie führen Schwingungen um ihren festen Platz im Kritallgitter aus. Während des Vorganges führt die Wärmezufuhr ausschließlich zur Erhöung der kinetischen Energie der Teilchen, deren Schwingungen somit stärker werden. Dabei steigt die Temperatur linear mit der zugeführten Wärme an bzw. ist die Temperaturänderung direkt proportional zur zugeführten Wärme. Der Aggregatzustand ändert sich nicht, d.h. die Bindungen zwischen den Teilchen bleiben erhalten und somit bleibt die potentielle Energie der Teilchen konstant.
Teilprozess 2 - Schmelzen des Eises bei 0°C Zu Beginn dieses Teilprozesses liegt das Wasser weiterhin im festen Zustand vor. Da aber die für jeden Stoff charakteristische (vom Druck abhängige) Schmelztemperatur erreicht ist, setzt jetzt der Vorgang des Schmelzens ein. Während des Vorganges bleibt die Temperatur allerdings konstant, d.h. die kinetische Energie der Teilchen ändert sich nicht. die zugeführte Energie führt ausschließlich zur Erhöhung der potentiellen Energie des Teilchen, diese erhalten dadurch mehr Bewegungsmöglichkeiten (Freiheitsgrade), da sie nicht mehr so stark aneinander gebunden sind. Diese Auflösung der Kristallstrukturen erkannt man z.B. daran, dass das flüssige Wasser nun keine bestimmte Form mehr hat, sondern sich der Form des Gefäßes anpasst. Am Ende des Vorgangs liegt dass gesamte Wasser in flüssiger Form vor, hat aber immer noch eine Temperatur von 0°C.
Teilprozess 3 - Erwärmen des Wassers Nachdem das Wasser vollständig geschmolzen ist, führt die Energiezufuhr nun wieder zur Erhöhung der kinetischen Energie der Teilchen und die Temperaturänderung ist wieder der zugeführten Wärme direkt proportional. Die Teilchen sind nahezu frei beweglich, es wirken nur die Kohäsionkrafte zwischen den Wassermolekülen, welche die Viskosität (Zähigkeit) der Flüssigkeit hervorrufen.