Was versteht man unter dem Wirkungsgrad?

Wie bereits Im Abschnitt über Energie und Energieerhaltung beschrieben wurde, entstehen bei praktisch jeder Energieumwandlung auch Energieformen, die nicht erwünscht sind bzw. nicht genutzt werden können. Umgangssprachlich wird dies als "Energieverlust" bezeichnet.

Bei einer Glühlampe beispielsweise wird sogar nur ein sehr kleiner Teil (ca. 5%) der elektrischen Energie in die gewünschte Energieform, nämlich in Licht, der größte Teil (ca. 95%) jedoch in (unerwünschte) Wärme umgewandelt.

Auch im Motor eines Autos entsteht nicht nur kinetische Energie, sondern ein nicht unerheblicher Anteil der durch Verbrennung umgewandelten Energie wird über Abgase oder Erwärmung des Motors oder des Kühlwassers an die Umgebung abgegeben.

Es ist also praktisch nie die gesamte ursprünglich vorhandene Menge an Energie nutzbar. Ein bestimmter Anteil wird stets in nicht erwünschte und damit nicht nutzbare Energieformen umgewandelt. Je größer der Anteil an nutzbarer Energie ist, umso besser gelingt die Energieumwandlung.

Das Verhältnis zwischen dem nutzbaren Anteil der Energie E_{nutz} und der gesamten zugeführten Energie E_{zu} wird als Wirkungsgrad η (griechisch Buchstabe "Eta") bezeichnet. Je größer der Wirkungsgrad ist, umso effizienter erfolgt die Energieumwandlung.

Wirkungsgrad

Als Wirkungsgrad η wird der Quotient aus dem Anteil nutzbarer Energie zur in der gleichen Zeit zugeführten Energie bezeichnet:

\eta=\dfrac {E_{nutz}}{E_{zu}}

Da der Anteil nutzbarer Energie stets kleiner ist als der Anteil an zugeführter Energie ist der Wirkungsgrad immer kleiner als 1 bzw. 100%.

Beispiele zum Wirkungsgrad

Ein Wirkungsgrad von 0,35 oder 35% besagt, dass 35% der zugeführten Energie genutzt werden können. Der andere Teil, also 65%, wird nicht genutzt, sondern geht meist als Wärme an die Umgebung.

Da zwar bei keinem Prozess Energie verloren geht, ein Teil jedoch nicht genutzt werden kann, spricht man auch von Energieentwertung.

Gründe für unerwünschte Abgabe von thermischer Energie (Wärmeenergie) an die Umgebung (und damit für die Entwertung von Energie) sind vor allem Reibung sowie Abwärme durch Abgase oder Kühlwasser.

Die Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie ist nach dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik prinzipiell nicht vollständig möglich, ohne dass ein Teil der Energie an die Umgebung abgegeben wird. Daher ist die Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie prinzipiell mit recht großen Energieverlusten behaftet.

Beispiel Kohlekraftwerk

Es gibt sowohl Braunkohle- als auch Steinkohlekraftwerke. Vor der Verbrennung muss die Kohle zunächst getrocknet und zerkleinert werden. Bei der Verbrennung von 1kg Steinkohle wird eine Energiemenge von etwa 29 MJ (MegaJoule) frei. Diese Energie liegt dann in Form von Wärmeenergie vor.

Um diese Wärmeenergie in elektrische Energie umzuwandeln, wird zunächst Wasser erhitzt und verdampft. Mit dem heißen Wasserdampf (Temperatur bis 600°C, Druck ca. 250 Bar) werden über eine Rohrleitung Turbinen angetrieben (→ kinetische Energie bzw. Rotationsenergie), wobei der Druck sinkt. Die Turbinen treiben Generatoren an, die die kinetische Energie in elektrische Energie umwandeln.

Das Abgas wird nach einer Reinigung an die Umgebung abgegeben, der Wasserdampf wird kondensiert und zurück in die Brennkammer geleitet.

Der Anteil der nutzbaren (elektrischen) Energie entspricht am Ende ca. 40% der durch die Verbrennung der Kohle umgewandelten Energie. Der Wirkungsgrad beträgt also 0,4 bzw. 40%. In diesem Fall ließen sich aus 29MJ Primärenergie also knapp 12MJ (29MJ · 0,4) in elektrische Energie umwandeln.

Das folgende Energieflussdiagramm veranschaulicht die Energieumwandlungen in einem Wärmekraftwerk und die Bedeutung des Wirkungsgrades:

Energieflussdiagramm Wärmekraftwerk

Energieflussdiagramm eines Wärmekraftwerkes

Viele Wärmekraftwerke haben Wirkungsgrade, die noch unter 40% liegen.

Berücksichtigt man außerdem die Leitungsverluste beim Transport der elektrischen Energie sowie die Umwandlungsverluste beim Endverbraucher, so kann man davon ausgehen, dass am Ende in der Regel weniger als 30% der eingesetzten Primärenergie genutzt werden können.

Beispiele für Wirkungsgrade in Natur und Technik

Beispiel Wirkungsgrad
Glühlampe 5%
Leuchtstofflampe 25%
Solarzelle 15%
Benzinmotor bis 30%
Dieselmotor bis 40%
Kohlekraftwerk 30-45%
Kernkraftwerk 35%
Dampfturbine bis 45%
Elektromotor bis 95%
Generator bis 99%