Der Wirkungsgrad ist allgemein das Verhältnis von Nutzen zu Aufwand, bei einer Maschine beispielsweise das Verhältnis von abgegebener zu zugeführter Leistung. Bei Wärmeerzeugern ist stets zwischen Wirkungsgrad und Nutzungsgrad zu unterscheiden. Der Nutzungsgrad ist kein Verhältnis von Leistungen sondern das Verhälnis von Wärmemengen (Wärmemenge bzw. Arbeit = Leistung x Zeit).
Der Wirkungsgrad wird mit η (Eta) abgekürzt und hat einen Wert zwischen 0 und < 1 oder, in Prozenten ausgedrückt, zwischen 0 % und < 100 %.
Wirkungsgrad, Wertebereich
Der theoretisch mögliche Wert von 1 bzw. 100 %, kann in der Praxis nicht erreicht werden, weil bei allen Vorgängen Energie durch Wärme oder Reibung in thermische Energie umgewandelt wird.
Ein Wirkungsgrad größer als 1 entspräche einem Perpetuum Mobile erster Art, was aufgrund des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik nicht möglich ist.
Bei Wärmekraftmaschinen ist der ideale Wirkungsgrad der Quotient aus der Differenz zwischen höchster Temperatur und niedrigster Temperatur und der höchsten Temperatur im gesamten Prozess. Die Temperaturangaben sind dabei in Kelvin zu machen (siehe Carnot-Prozess).
Gesamtwirkungsgrad
Arbeiten mehrere Maschinen hintereinander, so werden deren einzelne Wirkungsgrade zum Gesamtwirkungsgrad der Anlage multipliziert.
Beispiele:
- Kraftwerk 40 % (0,4),
- Transformator am Kraftwerk 95 % (0,95)
- Transformator in der Nähe des Verbrauchers 95 % (0,95)
- Elektromotor im Haushalt 80 % (0,8)
Gesamtwirkungsgrad: 0,4 x 0,95 x 0,95 x 0,8 = 0,2888 oder 28,88 %
Wärme-Wirkungrade
Thermischer Wirkungsgrad/Prozesswirkungsgrad
Der thermische Wirkungsgrad gibt das Verhältnis von der gewonnen technischen Leistung zum zugeführten Wärmestrom in einer Wärmekraftmaschine, z.B. einer Wärmepumpe an:
mit als dem thermischen Wirkungsgrad, der gewonne technischen Leistung und dem zugeführten Wärmestrom.
Der thermische Wirkungsgrad wird als Bewertungsmaß für die Effektivität des Prozesses benutzt, daher wird er auch Prozesswirkungsgrad geannt.
Anlagenwirkungsgrad
Wird die bei einem thermischen Umwandlungsprozess frei werdende Abwärme weiter genutzt, zum Beispiel zur Luftvorwärmung, Ölvorwärmung oder Fernheizung, wie es bei Blockheizkraftwerken der Fall ist (siehe Tab. unten), so vergrößert sich der Wirkungsgrad der Anlage, da ein Teil der eigentlich für den Prozess verlorengegangen Wärme trotzdem genutzt werden kann.
Den sich daraus ergebenen Wirkungsgrad nennt man Anlagenwirkungsgrad um ihn von dem eigentlichen, niedrigeren thermischen Wirkungsgrad (Prozesswirkungsgrad) zu unterscheiden. Anlagenwirkungsgrade sind mit Wärmetauschern relativ einfach zu verbessern, während die Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades häufig nur mit erheblichen Mühen und Forschungsaufwand verbunden ist.
Feuerungstechnischer Wirkungsgrad
Der feuerungstechnische Wirkungsgrad berücksichtigt lediglich den Abgasverlust eines Wärmeerzeugers - eine Bewertung der energetischen Effizienz eines Wärmeerzeugers allein mit Hilfe des gemessenen Abgasverlustes ist daher nicht möglich.
Der feuerungstechnische Wirkungsgrad gibt die Nutzung der aus der Verbrennung eines Brennstoffes entstehenden Wärme an. Er bestimmt sich aus der Differenz von 100 % und dem Abgasverlust, der die in dem Abgas verbleibende Wärmemenge bezogen auf die Temperatur der die Feuerstelle umgebenden Luft angibt. Eine Abkühlung unter die Temperatur der Umgebungsluft wird dabei als nicht möglich angesetzt.
Der Abgasverlust ist von der Zusammensetzung des Abgases abhängig, vor allem dem Luftanteil, da in der Verbrennungswärme die Erwärmung der Verbrennungsluft auf die Flammtemperatur enthalten ist.
Als 100%-Wert wird traditionell der Heizwert (auch "unterer Heizwert" genannt) angesetzt, der definitionsgemäß die evtl. anfallende Kondensationswärme des Abgases nicht berücksichtigt. Aufgrund der in den letzten Jahre zunehmenden Verbreitung der Brennwerttechnik ist diese Betrachtungsweise nicht mehr zeitgemäß und sollte an die fortgeschrittene Technologie angepasst werden.
Wirkungsgrade größer 100 %
Der bei Brennwertkesseln angegebene heizwertbezogene Wirkungsgrad von über 100 % entsteht aus der Berechnungsformel. Dabei wird unter "aufgewendete Energie" der Heizwert des Brennstoffes angesetzt. Der Heizwert berechnet sich jedoch aus der insgesamt frei werdenden Wärme abzüglich der Verdampfungswärme für das bei der Verbrennung entstehende Wasser. Der Heizwert beeinhaltet also nur einen Teil der gesamten Brennstoffenergie. Im Unterschied zum "konventionellen" Heizkessel kühlt man bei Brennwertkessel das Abgas soweit ab, dass das bei der Verbrennung verdampfte Wasser kondensiert. Die dabei frei werdende Kondensationswärme kommt der Nutzenergie zugute.
Wird der Wirkungsgrad nicht auf Basis des Heizwertes sondern auf Basis des Brennwertes des Brennstoffes berechnet, wird im Idealfall ein Wirkungsgrad von 100 % erreicht.
Ähnliches gilt für Wärmepumpen. Auch diese erreichen Wirkungsgrade von über 100 % (handelsübliche Systeme liegen bei 200 - 600 %). Ursache ist auch hier die Vorgehensweise bei der Berechnung. Man teilt die nutzbare Wärmeleistung durch die aufgewendete elektrische Leistung. Die Wärmepumpe fördert die Wärmeenergie nur aus der Umwelt und bringt sie auf das gewünschte Temperaturniveau. Dieser Teil der Energie wird aber in der Berechnung nicht unter Aufwand einbezogen. Daher ist die bereitgestellte Wärmeleistung größer als die elektrisch aufgenommene Leistung. Der Effekt bei der Wärmepumpe beruht zudem darauf, dass Strom, der eine hochwertige Energieform (=Exergie) darstellt, in eine minderwertige Energieform, Wärme (=Anergie) umgewandelt wird.
Beispiele
| Wirkungsgrad, Beispiele | ||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Gerät | aufgewandte Energie | Nutzenergie | Wirkungsgrad | |||||||||||||
| Ottomotor | chemisch | mechanisch | 10-30 % (a) | |||||||||||||
| Dieselmotor | Chemisch | Mechanisch | 30-35 % (b) | |||||||||||||
| Kraftwerk | Chemisch | Elektrisch | 25-40 % (4) | |||||||||||||
| Kraftwerk, mit Kraft-Wärme Kopplung | Chemisch | Elektr. + Wärme | ~85% (5) | |||||||||||||
| Wasserkraftwerk | Gravitationspotenziell | Elektrisch | 80-90 % | |||||||||||||
| Elektromotor | Elektrisch | Mechanisch | 60-95 % | |||||||||||||
| Photosynthese, Erzeugung von Biomasse und anschließende Verbrennung | Sonnenstrahlg | Wärme | 0,1-5 % (1) | |||||||||||||
| Kohle-Abbau, Abbau von Kohle und anschließende Verbrennung | Mechanisch | Wärme | 30 % (?) (2) | |||||||||||||
| Sonnenkollektor | Sonnenstrahlg | Wärme | 30-50 % | |||||||||||||
| Lagerfeuer | Chemisch | Wärme | 80-90 % (3) (?) | |||||||||||||
| Lagerfeuer als Kochstelle, | Chemisch | Wärme | < 1 % (3) (?) | |||||||||||||
| Gaskocher | Chemisch | Wärme | 80-90 % | |||||||||||||
| Gaskocher, als Kochstelle | 5 % (?) | |||||||||||||||
| Offener Kamin | Chemisch | Wärme | 10-30 % | |||||||||||||
| Kohleofen, Haushalt | Chemisch | Wärme | 30-50 % | |||||||||||||
| Kohleofen, Industrie | Chemisch | Wärme | 80-90 % | |||||||||||||
| Generator | Mechanisch | Elektrisch | 95 % (6) | |||||||||||||
| Fahrraddynamo | Mechanisch | Elektrisch | 20-60 % (7) | |||||||||||||
| Solarzelle | Sonnenstrahlung | Elektrisch | 10-30 % (8) | |||||||||||||
| Brennstoffzelle | Chemisch | Elektrisch | 50-80 % (?) | |||||||||||||
| Transformator | Elektrisch | Elektrisch | 50-95 % | |||||||||||||
| Lautsprecher | Elektrisch | akustisch | 0.2-2 % (9) | |||||||||||||
Bemerkungen:
- (a) bei Vollast bis zu 30%, bei Teillast, (Auto, bei ca. 100 km/h) unter 10%.
- (b) Teillastwerte bitte einfügen.
- (1) Anteil der Sonnenenergie, die zur Erzeugung von Biomasse (z. B. Holz) genutzt wird, die anschließend zur Verbrennung zur Verfügung steht.
- (2) Energie der geförderten Kohle, die zur Verbrennung zur Verfügung steht. Der größere Teil der geförderten Kohle erzeugt die für die Förderung der Kohle benötigte Energie (Zahl geschätzt).
- (3) Ein Lagerfeuer setzt den Brennstoff mit hohem Wirkungsgrad in Wärme um (Unterscheidung zwischen Brenn- und Heizwert beachten). Aber nur ein geringer Teil der Wärme erhitzt einen Topf, der über dem Feuer hängt. Der größte Teil erwärmt die umgebende Luft.
- (4) Dies gilt für alle Wärmekraftwerke, also für Kohle, Erdgas, Erdöl und Kernenergie (siehe Carnot-Wärmekraftmaschine).
- (5) Der hohe Wert gilt nur dann, wenn die Wärme z. B. für Fernheizung auch genutzt wird.
- (6) Gas- Dampf- bzw. Wasserturbinen besitzen einen Wirkungsgrad über 95%. Es ist die Bereitstellung der Prozessmittel (strömendes Gas, Wasser) aus (4), und die Umform- und Lietungsverluste, die den Wirkungsgrad bis zur Steckdose auf unter 30% begrenzen.
- (7) Bei fast allen Fahrraddynamos ist der Wirkungsgrad bei ca 20% anzutreffen, besonders effektive Dynamos mit Reiberädchen erreichen 25-30%. 60% lassen sich nur durch alternative Bauarten im optimalen Geschwindigkeitsbereich erreichen.
- (8) Der Wirkungsgrad älterer Solarzellen (vor ca. 20 Jahren, bzw. im Laborstadium) ist so klein und die Herstellung war so aufwändig, dass die Energie, die sie während ihrer Lebensdauer erzeugt, nicht ausreicht, die Energie für ihre Herstellung zu kompensieren. (siehe Energiebilanz)
- (9) Anders als bei Bühnenlautsprechern ist bei Heimlautsprechern klangneutrale Wiedergabe wichtiger als Wirkungsgrad.
Beispiele für den Wirkungsgrad von Lichtquellen siehe: Lichtausbeute
Sieh auch
Weblinks
- Der thermodynamische Wirkungsgrad
- Wie haben sich die Wirkungsgrade der Kohlekraftwerke entwickelt und was ist künftig zu erwarten? (Link zu den Energie-Fakten.de)