Wirkungsgrad
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) bezeichnet und hat einen Wert zwischen 0 und < 1 oder, in Prozenten ausgedrückt, zwischen 0 % und < 100 %.
Die ungenutzte Energie wird umgangsprachlich auch als Energieverlust bezeichnet.
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-Wirkungsgrade
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 genannt.
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 gibt die Nutzung der aus der Verbrennung eines Brennstoffes entstehenden Wärme an. Er berücksichtigt lediglich den Wärmeverlust durch Aufheizen der Abgase und Umgebungsluft des Feuers. Eine Bewertung der energetischen Effizienz eines Wärmeerzeugers allein mit Hilfe des gemessenen Abgasverlustes ist daher nicht möglich.
Moderne Anlagen steigern den Wirkungsgrad durch Absenken der Abgas-Temperaturen und durch Rückgewinnung der Kondensationswärme von Wasserdampf und Kohlenwasserstoffen. Sie nutzen den Brennwert eines Brennstoffes, während in alten Anlagen nur der Heizwert genutzt werden konnte. Es werden hohe Anforderungen an die Kamin-Anlage gestellt. Die Abgase müssen teilweise aktiv (z.B. Ventilator) abtransportiert werden, da sie nicht mehr warm genug sind, um selbst aufzusteigen. Der Schornstein ist korrosiven Angriffen durch Wasser ausgesetzt. Es bildet sich Teer, der aufgefangen und in die Verbrennung zurück geführt werden muß.
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 | |||||||||||||
| Dampfmaschine | Chemisch | mechanisch | 3-10 % | |||||||||||||
| Ottomotor (a) | Chemisch | mechanisch | 10-30 % | |||||||||||||
| Dieselmotor (b) | Chemisch | Mechanisch | 30-35 % | |||||||||||||
| Turbinentriebwerk(Zivilluftfahrt) | Chemisch | Mechanisch | 40 % | |||||||||||||
| Kraftwerk (4) | Chemisch | Elektrisch | 25-55 % | |||||||||||||
| Kraftwerk mit Kraft-Wärme-Kopplung (5) | Chemisch | Elektr. + Wärme | ~85% | |||||||||||||
| Wasserkraftwerk | Gravitationspotenziell | Elektrisch | 80-90 % | |||||||||||||
| Elektromotor | Elektrisch | Mechanisch | 20-95 % | |||||||||||||
| Photosynthese, Erzeugung von Biomasse und anschließende Verbrennung (1) | Sonnenstrahlg | Wärme | 0,1-5 % | |||||||||||||
| Kohle-Abbau, Abbau von Kohle und anschließende Verbrennung (2) | Mechanisch | Wärme | 80 % | |||||||||||||
| Sonnenkollektor | Sonnenstrahlung | Wärme | bis 85 % | |||||||||||||
| Lagerfeuer (3) | Chemisch | Wärme | 80-90 % (?) | |||||||||||||
| Lagerfeuer als Kochstelle, (3) | Chemisch | Wärme | < 1 % (?) | |||||||||||||
| Gaskocher | Chemisch | Wärme | 80-90 % | |||||||||||||
| Gaskocher, als Kochstelle (?) | Chemisch | Wärme | 5 % | |||||||||||||
| Offener Kamin | Chemisch | Wärme | 10-30 % | |||||||||||||
| Kohleofen, Haushalt | Chemisch | Wärme | 30-50 % | |||||||||||||
| Kohleofen, Industrie | Chemisch | Wärme | 80-90 % | |||||||||||||
| Generator (6) | Mechanisch | Elektrisch | 95-99,5 % | |||||||||||||
| Fahrraddynamo (7) | Mechanisch | Elektrisch | 20-60 % | |||||||||||||
| Solarzelle | Sonnenstrahlung | Elektrisch | 5-37 % | |||||||||||||
| Brennstoffzelle | Chemisch | Elektrisch | 50-80 % (?) | |||||||||||||
| Thermoelement | thermisch | Elektrisch | 4% | |||||||||||||
| Thermionische Stromumwandlung | thermisch | Elektrisch | <30% | |||||||||||||
| MHD-Generator | thermisch | Elektrisch | <30% | |||||||||||||
| Transformator | Elektrisch | Elektrisch | 50-99,8 % | |||||||||||||
| Lautsprecher (8) | Elektrisch | akustisch | 0.2-2 % | |||||||||||||
| Sendeanlage | Elektrisch | elektrisch | 30-80 % | |||||||||||||
| HGÜ (9) | Elektrisch | elektrisch | 95 % | |||||||||||||
Bemerkungen:
- (a) bei Volllast 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.
- (3) Ein Lagerfeuer setzt den Heizwert des Brennstoffs 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 Leitungsverluste, 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) Anders als bei Bühnenlautsprechern ist bei Heim-Lautsprechern und Studio-Monitoren die klangneutrale Wiedergabe wichtiger als "lauter" Wirkungsgrad.
- (9) ohne Leitungsverluste
Beispiele für den Wirkungsgrad von Lichtquellen siehe: Lichtausbeute
Siehe auch
- Energieeinsparung
- Erntefaktor von Kraftwerken
Weblinks
- Warum ist der elektrische Wirkungsgrad von Kernkraftwerken in der Regel niedriger als der von Kohlekraftwerken?
- [http://www.neura.at Leistungszahl von Wärmepumpen v. Hersteller