Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad ist eine physikalische Kennzahl, die das Verhältnis von nutzbarer Energie zur zugeführten Energie beschreibt. Er zeigt, wie effizient ein System Energie umwandelt und wird als dimensionslose Größe angegeben. Der Wert wird entweder als Dezimalzahl zwischen 0 und 1 oder in Prozent zwischen 0 Prozent und 100 Prozent ausgedrückt. Ein hoher Wert bedeutet, dass während der Energieumwandlung wenig Energie verlorengeht, das System arbeitet effizient.

Die Formel zur Berechnung des Wirkungsgrads

Das Formelzeichen für den Wirkungsgrad ist der griechische Buchstabe η (eta). Er wird mit der folgenden Formel berechnet:

η = nutzbare Energie / zugeführte Energie

Um den Wert in Prozent anzugeben, wird diese Zahl mit 100 multipliziert. Die nutzbare Energie ist der Teil der umgewandelten Energie, der für den beabsichtigten Zweck verwendet werden kann, während die zugeführte Energie die ursprünglich eingesetzte Energiemenge ist. Diese Formel wird in vielen technischen Bereichen angewandt, um die Effizienz von Maschinen, Kraftwerken und anderen Energieumwandlungssystemen zu bestimmen.

Warum ist der Wirkungsgrad nie 100 Prozent?

Dieser kann niemals 100 Prozent erreichen, da bei jeder Energieumwandlung unvermeidbare Verluste auftreten. Diese Verluste entstehen beispielsweise durch Wärmeabstrahlung, Reibung oder unvollständige chemische Reaktionen. Im Bereich der Wärmekraftmaschinen wird der thermische Wirkungsgrad durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik begrenzt. Auch elektrische Systeme sind nicht verlustfrei, da etwa der elektrische Widerstand in Leitungen oder Streuverluste in Transformatoren zu Energieverlusten führen.

Wirkungsgrad in verschiedenen Energieumwandlungssystemen

Der Wert ist ein entscheidender Faktor bei der Bewertung der Effizienz von Energieumwandlungssystemen. Er beschreibt, wie gut ein System die zugeführte Energie in nutzbare Energie umwandelt und wird je nach Technologie, Anwendungsbereich und den physikalischen Bedingungen unterschiedlich hoch ausfallen.

Turbinen

Der Wirkungsgrad von Turbinen variiert je nach Bauart und Anwendung. Dampfturbinen, die in Kraftwerken eingesetzt werden, erreichen typischerweise einen thermischen Wirkungsgrad von etwa 35 bis 45 Prozent. Moderne Gasturbinen, insbesondere in Kombination mit Dampfturbinen in einem Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk, können Werte von über 60 Prozent erreichen. Wasserkraftturbinen haben mit bis zu 90 Prozent einen besonders hohen Wirkungsgrad, da die Umwandlung von kinetischer und potenzieller Energie des Wassers in mechanische Energie sehr effizient ist.

Wärmepumpen

Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe wird häufig durch die Leistungszahl (Coefficient of Performance, COP) angegeben. Diese beschreibt das Verhältnis der abgegebenen Wärmeenergie zur aufgenommenen elektrischen Energie. Eine moderne Wärmepumpe kann je nach Betriebsbedingungen einen COP von 3 bis 5 erreichen. Das bedeutet, dass mit einer Einheit elektrischer Energie drei- bis fünfmal so viel Wärmeenergie bereitgestellt wird. Der COP und damit die Effizienz einer Wärmepumpe hängen maßgeblich von der Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke ab. Da eine Wärmepumpe nicht nur Energie umwandelt, sondern zusätzliche Wärme aus der Umgebung aufnimmt und transportiert, kann ihr COP größer als 1 sein, ohne dass dies einen Verstoß gegen die Energieerhaltung bedeutet

Kraftwerke

Verschiedene Kraftwerkstypen haben unterschiedliche Wirkungsgrade. Gas-und-Dampf-Kombikraftwerke (GuD-Kraftwerke) gehören mit über 60 Prozent zu den effizientesten thermischen Kraftwerken. Kohlekraftwerke erreichen dagegen meist Werte zwischen 35 und 45 Prozent, da bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe erhebliche Energieverluste auftreten. Kernkraftwerke liegen im Bereich von 33 bis 37 Prozent, da ein großer Teil der erzeugten Wärmeenergie ungenutzt bleibt.

Erneuerbare Energiesysteme

Der Wirkungsgrad erneuerbarer Energiesysteme variiert je nach Technologie und den physikalischen Rahmenbedingungen. Photovoltaikanlagen erreichen je nach Modultyp unterschiedliche Werte: Monokristalline Solarmodule liegen über 20 Prozent, während polykristalline Module etwas darunter bleiben. Windkraftanlagen wandeln die kinetische Energie des Windes in elektrische Energie um und erreichen je nach Standort und Turbinentyp Wirkungsgrade von etwa 40 bis 50 Prozent. Wasserkraftwerke gehören mit bis zu 90 Prozent zu den effizientesten Energieumwandlungssystemen, da die direkte Umwandlung von potenzieller und kinetischer Energie des Wassers in elektrische Energie nur geringe Verluste verursacht. Biomassekraftwerke haben hingegen meist niedrigere Wirkungsgrade als fossile Kraftwerke, da ein Teil der chemischen Energie in Form von Abwärme verloren geht. Insgesamt hängt der Wirkungsgrad erneuerbarer Energien stark von den Umweltbedingungen und der jeweiligen technischen Umsetzung ab.

Arten von Wirkungsgraden

Je nach System gibt es verschiedene Wirkungsgradtypen:

• Thermischer Wirkungsgrad: Beschreibt die Effizienz von Wärmekraftmaschinen (z. B. Dampfturbinen, Verbrennungsmotoren). Er wird durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik begrenzt, wobei der Carnot-Wirkungsgrad die theoretische Obergrenze darstellt.
• Elektrischer Wirkungsgrad: Gilt für elektrische Systeme wie Generatoren, Elektromotoren oder Transformatoren und wird durch Widerstands- und Wärmeverluste beeinflusst.
• Mechanischer Wirkungsgrad: Misst die Effizienz mechanischer Systeme (z. B. Getriebe, Lager) unter Berücksichtigung von Reibungsverlusten.
• Gesamtwirkungsgrad: Wird bei mehrstufigen Energieumwandlungsprozessen (z. B. Kraftwerken) durch Multiplikation der einzelnen Wirkungsgrade berechnet.
• Optischer Wirkungsgrad: Relevanz in optischen Systemen wie Solarzellen, bei denen nur ein Teil der eingestrahlten Lichtenergie genutzt werden kann.
• Coefficient of Performance (COP): Eine Sonderform des Wirkungsgrads für Wärmepumpen und Kältemaschinen, da diese nicht nur Energie umwandeln, sondern auch transportieren.

Wirkungsgrad von Energiespeichern

Energiespeicher sind essenziell für die effiziente Nutzung erneuerbarer Energien, da sie Energie flexibel verfügbar machen. Thermische Energiespeicher speichern Wärmeenergie, um sie zu einem späteren Zeitpunkt wieder nutzbar zu machen. Ihr Wirkungsgrad hängt von den verwendeten Materialien und der Speichermethode ab. Sensible Wärmespeicher, die mit Wasser oder Feststoffen arbeiten, erreichen Wirkungsgrade von 80 bis 90 Prozent, da Wärmeverluste vergleichsweise gering sind. Die ThermalBattery™ von ENERGYNEST erzielt einen Wirkungsgrad von mehr als 95 Prozent. Latente Wärmespeicher, die auf Phasenwechselmaterialien (PCM) basieren, bieten ebenfalls hohe Wirkungsgrade, da sie Energie verlustarm über längere Zeiträume speichern können. Thermochemische Speicher nutzen reversible chemische Reaktionen zur Energiespeicherung und ermöglichen potenziell noch höhere Wirkungsgrade, da Verluste durch Wärmeleitung und Abstrahlung weitgehend vermieden werden.