Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis zwischen nutzbarer Energie bzw. Leistung und aufgewendeter Energie bzw. Leistung.
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 Energieverluste z.B. durch Wärme oder Reibung entstehen. Ein Wirkungsgrad größer 1 entspräche einem Perpetuum Mobile erster Art, was aufgrund des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik nicht möglich ist. Nach der oben genannten Berechnung kann z.B. bei der Wärmepumpe oder Energieproduktion durch Kohleabbau ein Wirkungsgrad von größer 1 entstehen, da hier die Nutzenergie nicht aus der eingesetzten Energie umgewandelt wurde, sondern die eingesetzte Energie dazu verwendet wird, bereits in der Umgebung vorhandene Wärmeenergie zu transportieren.
Beispiele
Wirkungsgrad, Beispiele
Gerät Aufgewandte Nutzbare Wirkungsgrad
Energie Energie
Elektromotor Elektrisch Mechanisch 60-95%
Ottomotor Chemisch Mechanisch 20%
Dieselmotor Chemisch Mechanisch 35%
Photosynthese, Sonnenstrahlg Wärme 0.1-5%
Erzeugung von (1)
Biomasse und
anschließende
Verbrennung
Kohle-Abbau, Mechanisch Wärme 30% (?)
Abbau von (2)
Kohle und
anschließende
Verbrennung
Sonnenkollektor Sonnenstrahlg Wärme 30-50%
Lagerfeuer Chemisch Wärme 80-90% (?)
Lagerfeuer, Chemisch Wärme 5% (?)
zum Kochen (3)
nutzbare
Energie
Gaskocher Chemisch Wärme 80-90%
Gaskocher, 5% (?)
zum Kochen
nutzbare
Energie
Offener Kamin Chemisch Wärme 10-30%
Kohleofen, Chemisch Wärme 30-50%
Haushalt
Kohleofen, Chemisch Wärme 80-90%
Industrie
Kraftwerk Chemisch Elektrisch 40% (4)
Kraftwerk, mit Chemisch Elektr. +
Kraft-Wärme Wärme 85% (5)
Kopplung
Generator Mechanisch Elektrisch 95% (6)
Fahrraddynamo Mechanisch Elektrisch 20-45%
Solarzelle Sonnenstrahlung Elektrisch 10-30% (7)
Brennstoffzelle Chemisch Elektrisch 50-80%
Transformator Elektrisch Elektrisch 95%
Bemerkungen:
(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 (s.a. Unterscheidung zwischen
Brenn- und Heizwert). Aber nur ein geringer Teil der
Wärme erhitzt einen Topf, der über dem Feuer hängt. Der
größte Teil erwärmt die umgebende Luft.
(4) Theoretische Grenze des Wirkungsgrads wird durch Carnot-Prozess
vorgegeben.
(5) Nutzung der Abwärme z.B. für Fernheizung.
(6) Gas- bzw. Wasserturbinen besitzen einen Wirkungsgrad
nahe 100%. Es ist die Bereitstellung der Prozessmittel
(strömendes Gas, Wasser) aus (4), die den Wirkungsgrad
begrenzt.
(7) Der Wirkungsgrad älterer
Solarzellen ist so klein und die Herstellung so aufwändig, das die Energie, die sie während
ihrer Lebensdauer erzeugt, nicht ausreicht, die
Energie für ihre Herstellung zu kompensieren.
Diese
Überlegung gilt allgemein. Wieviel Energie muss z.B. ein
Kraftwerk erzeugen, um damit nicht nur seinen Aufbau, sondern
am Ende auch den vollständigen Abriss zu finanzieren.
Beispiele für den Wirkungsgrad einiger Lichtquellen
Leuchte Wirkungsgrad Lichtausbeute
in % in lm/W
Kerze 0,04 0,1
Öllampe 0,08 0,2
Starklichtlampe 0,4 1
Glühbirne 4 10-20
Leuchtdiode 15 5-50
Hg-Metalldampflampe 15 30-40
Leuchtstoffröhre 20 30-50
Na-Metalldampflampe 28 40-70