Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad ist allgemein das Verhältnis von Nutzen zu Aufwand, bei einer Maschine beispielsweise das Verhältnis von geleisteter Arbeit zu der für ihren Betrieb zugeführten Energie oder das Verhältnis von abgegebener zu zugeführter Leistung.Der Wirkungsgrad wird mit ? (Eta) abgekürzt und hat einen Wert zwischen 0 und < 1 oder, in Prozenten ausgedrückt, zwischen 0 % und < 100 %.
| Table of contents |
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2 Gesamtwirkungsgrad 3 Anlagenwirkungsgrad 4 Wirkungsgrade größer 100 % 5 Beispiele 6 thermischer Wirkungsgrad 7 Weblinks |
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).
Arbeiten mehrere Maschinen hintereinander, so werden deren einzelne Wirkungsgrade zum Gesamtwirkungsgrad der Anlage multipliziert.
Bsp:
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.
Wird der Wirkungsgrad nicht aufgrund des niedrigen Heizwertes sondern des hohen Brennwertes des Brennstoffes berechnet, tritt diese scheinbare Überverwertung des Brennstoffes nicht auf.
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.
Wirkungsgrad, Beispiele
Beispiele für den Wirkungsgrad von Lichtquellen siehe: LichtausbeuteWirkungsgrad, Wertebereich
Der theoretisch mögliche Wert von 1,0 bzw. 100 %, kann in der Praxis nicht erreicht werden, weil bei allen Vorgängen Energie durch Wärme oder Reibung in thermische Energie umgewandelt wird.Gesamtwirkungsgrad
Gesamtwirkungsgrad: 0,4 x 0,95 x 0,95 x 0,8 = 0,2888 oder 28,88 %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. Wirkungsgrade größer 100 %
Der bei Brennwertkesseln angegebene 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 frei werdenden Wärme abzüglich der Verdampfungswärme für das bei der Verbrennung entstehende Wasser. Im Unterschied zum "konventionellen" Heizkessel kann jedoch durch die niedrige Abgastemperatur im Brennwertkessel das verdampfte Wasser kondensieren. Die dabei frei werdene Kondensationswärme wird ebenfalls der Nutzenergie zugeschlagen.Beispiele
Gerät Aufgewandte Nutzbare Wirkungsgrad
Energie Energie
Wärmekraftmaschinen
Ottomotor Chemisch Mechanisch 10-30 % (a)
Dieselmotor Chemisch Mechanisch 30-35 % (b)
Kraftwerk Chemisch Elektrisch 25-40 % (4)
Kraftwerk, mit Chemisch Elektr. +
Kraft-Wärme Wärme ~85 % (5)
Kopplung
Elektromotor Elektrisch Mechanisch 60-95 %
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 < 1 % (?)
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
Generator Mechanisch Elektrisch 95 % (6)
Fahrraddynamo Mechanisch Elektrisch 20-60 %
Solarzelle Sonnenstrahlung Elektrisch 10-30 % (7)
Brennstoffzelle Chemisch Elektrisch 50-80 %
Transformator Elektrisch Elektrisch 50-95 %
Lautsprecher Elektrisch akustisch 0.2-2 % (8)Bemerkungen:
Zu (7): 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.