Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad $ \eta $ (Eta) ist ein Maß für die Effizienz von Energiewandlungen, aber auch von Energieübertragungen. Er ist eine dimensionslose Größe und beschreibt das Verhältnis der Nutzleistung $ P_{\mathrm {ab} } $ zur zugeführten Leistung $ P_{\mathrm {zu} } $ oder das Verhältnis der in einer bestimmten Zeit erhaltenen Nutzenergie $ E_{\mathrm {ab} } $ zur in der gleichen Zeit zugeführten Energie $ E_{\mathrm {zu} } $.
- $ \eta ={\frac {P_{\mathrm {ab} }}{P_{\mathrm {zu} }}} $
bzw.
- $ \eta ={\frac {E_{\mathrm {ab} }}{E_{\mathrm {zu} }}} $
$ P_{\mathrm {ab} } $ ist beispielsweise die mechanische Leistung, die ein Elektromotor an der Welle abgeben kann. Dann ist $ P_{\mathrm {zu} } $ die elektrische Leistung, die man dem Motor zuführen muss. Das Verhältnis kann als Wert zwischen 0 und 1, oder auch in Prozent ausgedrückt werden.
Neben der allgemeinen Definition haben sich auch weitere Begriffe, wie beispielsweise Nutzungsgrad oder Arbeitszahl etabliert, die je nach Fachbereich bestimmte Randbedingungen und Besonderheiten des Energieflusses in den betrachteten Systemen berücksichtigen. Nutzungsgrade und Arbeitszahlen beziehen sich immer auf einen Betrachtungszeitraum (meist ein Jahr), für den die Energien aufsummiert werden.
Die momentan aufgenommene oder abgegebene Leistung bzw. Energie kann unabhängig vom Wirkungsgrad sehr unterschiedlich sein, wenn Leistungs- bzw. Energieaufnahme und -abgabe zeitlich versetzt auftreten, etwa beim Auf- und Entladen eines Akkumulators, oder bei der Aufnahme solarer Energie durch Pflanzen und späterer Energiefreisetzung durch Verbrennen.
Der Gütegrad beschreibt im Gegensatz dazu nur die inneren Verluste einer Maschine und fällt meistens erheblich besser aus. Die Differenz von zugeführter und abgegebener Leistung wird als Verluste oder genauer Verlustleistung bezeichnet.
Wertebereich
Der theoretisch mögliche Wertebereich geht von 0 bis 1 bzw. 0 bis 100 %. Der höchste Wert (1 bzw. 100 %) kann in der Praxis bei Maschinen nicht erreicht werden, weil bei allen Vorgängen Energie durch Wärme oder Reibung in thermische Energie umgewandelt wird. Bei Wärmekraftmaschinen wird der Wirkungsgrad zusätzlich durch den Abgasverlust begrenzt.
Ein Wirkungsgrad größer 1 entspräche einem Perpetuum Mobile erster Art, was gegen den Energieerhaltungssatz verstößt. Vorrichtungen, die mehr Energie abgeben, als sie aufnehmen oder gespeichert haben, sind nicht möglich.
Bei Wärmekraftmaschinen kann der Wirkungsgrad niemals den idealen Wirkungsgrad des Carnot-Prozesses übersteigen. Dies ist der Quotient aus der Differenz zwischen höchster Temperatur und niedrigster Temperatur und der höchsten Temperatur im gesamten Prozess. Die Temperatur ist dabei in Kelvin anzugeben.
Mechanischer Wirkungsgrad
Der mechanische Wirkungsgrad wird beispielsweise bei Getrieben oder Lagern angegeben und ist Teil des Gesamtwirkungsgrades einer Anlage (z.B. Antriebsstrang). Er berücksichtigt die Umwandlung eines Teils der mechanischen Eingangsleistung in Wärme. Dieses äußert sich in der Erwärmung der Bauteile. Verursacht wird dieser zumeist unerwünschte Energieabfluss durch Reibung.
Wärme-Wirkungsgrade
Thermischer Wirkungsgrad bzw. Prozesswirkungsgrad
Der thermische Wirkungsgrad oder Prozesswirkungsgrad gibt das Verhältnis der gewonnenen mechanischen Leistung zum zugeführten Wärmestrom in einer Wärmekraftmaschine, z. B. einer Dampfturbine an:
- $ \eta _{\mathrm {th} }={\frac {P_{\mathrm {th} }}{\dot {Q}}} $
mit $ \eta _{\mathrm {th} }\, $ als dem thermischen Wirkungsgrad, $ P_{\mathrm {th} }\, $ der gewonnenen mechanischen Leistung und $ {\dot {Q}} $ dem zugeführten Wärmestrom.
Die Obergrenze für jeden thermischen Wirkungsgrad ist der Carnot-Wirkungsgrad, der aus naturgesetzlichen Gründen nicht überschritten werden kann:
- $ \eta _{\mathrm {C} }=1-{\frac {T_{n}}{T_{h}}}\!\, $,
wobei $ T_{n} $ die niedrigste und $ T_{h} $ die höchste im Prozess auftretende Temperatur in Kelvin ist.
Feuerungstechnischer Wirkungsgrad
Der feuerungstechnische Wirkungsgrad (FTW) gibt die Nutzung der aus der Verbrennung eines Brennstoffes entstehenden Wärme bei Nennleistung an. Er berücksichtigt lediglich den Wärmeverlust durch Abkühlung der Abgase auf Umgebungstemperatur. Eine Bewertung der energetischen Effizienz eines Wärmeerzeugers allein mit Hilfe des gemessenen Abgasverlustes ist möglich, wenn außer dem Abgasverlust nur marginale weitere Verluste vorhanden sind. Bis Ende des vorigen Jahrhunderts war diese Näherungsrechnung für Heizungsanlagen üblich, heute wird der Anlagenwirkungsgrad bzw. Jahresnutzungsgrad betrachtet.
Der FTW bestimmt sich aus der Differenz von 100 % und dem Abgasverlust, der die im 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-Prozent-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 Jahren zugenommenen Verbreitung der Brennwerttechnik ist diese Betrachtungsweise jedoch nicht mehr zeitgemäß.
Moderne Anlagen steigern den Wirkungsgrad durch Absenken der Abgastemperaturen 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 Kaminanlage gestellt. Die Abgase müssen teilweise aktiv (z. B. Gebläse) abtransportiert werden, da sie nicht mehr warm genug sind, um selbst aufzusteigen. Der Schornstein ist korrosiven Angriffen durch die im kondensierten Wasser gelösten Verbrennungsrückstände ausgesetzt (Versottung). Unter bestimmten Bedingungen bildet sich zudem Teer, der aufgefangen und in die Verbrennung zurückgeführt werden muss.
Voll-Brennwertkessel, das Luft-Abgas-System oder die Beheizung von Nebenräumen nutzen bei Brennwertkesseln auch die latente Restwärme des Abgases unterhalb der Rücklauftemperatur des normalen Heizsystems, dabei ist aber zu beachten, dass Gase eine geringe Wärmespeicherkapazität aufweisen und mitunter mit einer besseren Wärmedämmung des Hauses oder anderen Energiesparmaßnahmen „ums gleiche Geld“ gegebenenfalls ein höherer monetärer Nutzen erreicht werden könnte.
Der Wärmeaustrag infolge der Reaktionsenthalpien bei der Bildung von Stickoxiden bzw. die Reduzierung derselben durch Herabsetzung der Brenntemperaturen mithilfe von Porenbrennern oder katalytischen Brennern wird bei der (dem Stand der Technik nicht mehr entsprechenden und somit veralteten) Berechnungsmethode des feuerungstechnischen Wirkungsgrades nicht berücksichtigt.
Kesselwirkungsgrad
Der Kesselwirkungsgrad hK (%) ist das Verhältnis von Nennwärmeleistung in Prozent der Nennwärmebelastung bei einer Messung im konstanten Dauerbetrieb bei Nennwärmeleistung. Er berücksichtigt wie der FTW auch den Abgasverlust aber darüber hinaus auch den Wärmeverlust an die Umgebung des Aufstellungsraumes.
Isentroper Wirkungsgrad
Der isentrope Wirkungsgrad wird meistens zur Beschreibung von Wärmekraftmaschinen benutzt.
Da thermische Energie nicht vollständig in andere Energieformen (z. B. Strom, mechanische Energie) umgewandelt werden kann, haben sich die Begriffe Anergie und Exergie entwickelt, die kennzeichnen, welcher Teil der thermischen Energie in Arbeit umgewandelt werden kann (Exergie) und welcher als thermische Energie verbleiben muss (Anergie). Es gilt damit
thermische Energie = Anergie + Exergie
und der Wirkungsgrad der realen Wärmekraftmaschine ist immer kleiner oder gleich dem der idealen Wärmekraftmaschine:
- $ \qquad \eta _{ideal}=1-{\frac {T_{\mathrm {min} }}{T_{\mathrm {max} }}}={\frac {\mbox{Exergie}}{\mbox{thermische Energie}}}\, $
wobei die Wärmebäder, an denen die Wärmekraftmaschine angeschlossen ist, die Temperaturen $ T_{\mathrm {min} } $ und $ T_{\mathrm {max} } $ aufweisen. Der isentrope Wirkungsgrad benutzt diesen Vergleichsprozess um ihn mit dem realen Prozess zu vergleichen.
- $ \eta _{\mathrm {isentrop} }={\frac {-P_{\mathrm {Nutz} }}{\mbox{Exergie}}}\, $
Brutto- und Nettowirkungsgrad
Insbesondere bei Wärmekraftwerken wird zwischen Brutto- und Nettowirkungsgrad unterschieden. Der Bruttowirkungsgrad bezieht sich auf die Bruttoleistung $ P_{\mathrm {brutto} } $, also die die elektrische Leistung ohne Berücksichtigung der Eigenverbraucher wie z.B. Speisewasserpumpe:
- $ \eta _{\mathrm {brutto} }={\frac {P_{\mathrm {brutto} }}{{\dot {m}}\cdot H_{\text{u}}}} $
(Dabei sind $ {\dot {m}} $ der Massenstrom des zugeführten Brennstoffs und $ H_{\text{u}} $ der Heizwert des Brennstoffs.)
Der Nettowirkungsgrad hingegen bezieht sich auf die Nettoleistung $ P_{\mathrm {netto} } $, also die elektrische Leistung nach Abzug der Leistungsaufnahme der Eigenverbraucher $ P_{\mathrm {EB} } $:
- $ \eta _{\mathrm {netto} }={\frac {P_{\mathrm {brutto} }-P_{\mathrm {EB} }}{{\dot {m}}\cdot H_{\text{u}}}}={\frac {P_{\mathrm {netto} }}{{\dot {m}}\cdot H_{\text{u}}}} $
Im deutschen Sprachraum wird für Kraftwerke der Nettowirkungsgrad angegeben, sofern nicht explizit etwa anderes genannt wird.[1]
Anlagenwirkungsgrad und Gesamtwirkungsgrad
Arbeiten mehrere Maschinen und Übertrager hintereinander, so werden deren einzelne Wirkungsgrade zum Gesamtwirkungsgrad $ \eta _{\text{gesamt}} $ der Anlage, dem Anlagenwirkungsgrad multipliziert.
- $ \eta _{\text{gesamt}}=\eta _{1}\cdot \eta _{2}\cdot \ldots \cdot \eta _{n}\, $
Beispiel:
- Kraftwerk 40 % (0,4)
- Transformator am Kraftwerk 99 % (0,99)
- Transformator in der Nähe des Verbrauchers 95 % (0,95)
- Elektromotor 90 % (0,9)
Gesamtwirkungsgrad: $ \eta _{\text{gesamt}}=0{,}4\cdot 0{,}99\cdot 0{,}95\cdot 0{,}9=\mathbf {0{,}33858} $ oder rund 34 %.
Bei diesem Beispiel wird angenommen, dass die Energieübertragung zwischen den einzelnen Maschinen verlustfrei passiert. Ist dieses nicht der Fall, so müssen zusätzlich Wirkungsgrade der Energieübertragung mitgerechnet werden.
Bei schlechten Einzelwirkungsgraden können hier leicht Überraschungen auftreten. Deutlich wird dies an einem weiteren Beispiel, bei dem die Eingangsenergie über drei Stufen umgeformt wird und die Ausgangsleistung 100 Watt betragen soll. Dabei sollen zwei Übertragungsketten betrachtet werden. Die erste mit sehr hohen Wirkungsgraden von dreimal 90 % (resultierender Gesamtwirkungsgrad 72,9 %), die zweite mit niedrigen Wirkungsgraden von je 20 % (resultierender Gesamtwirkungsgrad 0,8 %). In dem ersten Fall mit den hohen Wirkungsgraden ergibt sich hier eine notwendige Eingangsleistung von 137 Watt. Im zweiten Beispiel mit den schlechten Wirkungsgraden sind hierfür jedoch 12.500 Watt nötig.
Der Anlagenwirkungsgrad z. B. einer Heizungsanlage bezieht den Wirkungsgrad aller Einzelgeräte wie Wärmeerzeuger, Leitungen, Heizkörper mit ein, so dass deren Verluste addiert werden und daraus der tatsächliche Wirkungsgrad der Gesamtanlage errechnet wird, der dem Energieverbrauch und der gelieferten Nutzenergie entspricht.
Wird die bei einem thermischen Umwandlungsprozess freiwerdende 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 verloren gegangenen Wärme trotzdem genutzt werden kann. Der sich daraus ergebende Anlagenwirkungsgrad kann daher über den niedrigeren thermischen Wirkungsgraden (Prozesswirkungsgrad) liegen. Anlagenwirkungsgrade sind mit Wärmeübertragern relativ einfach zu verbessern, während die Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades häufig mit erheblichen Mühen und Forschungsaufwand verbunden ist.
Jahresnutzungsgrad
Der Jahresnutzungsgrad ist der jahresdurchschnittliche Anlagenwirkungsgrad über alle Betriebszyklen eines Wärmeerzeugers. Damit werden alle Betriebsverluste gemessen über das Betriebsjahr im Jahresnutzungsgrad erfasst. Dieses ermöglicht eine realistische Kosten-Nutzen-Rechnung von Energiesparmaßnahmen bis hin zum Niedrigenergiehaus, was mit der Näherungsrechnung des FTW nicht möglich ist. Da auch die durchschnittlichen Häuser durch Verbesserung der Dämmung immer weniger Energie verbrauchen, haben die weiteren Verluste durch den Bereitschaftsenergieverbrauch = Bereitstellungsverlust (u.a. durch Schornsteinbelüftung durch die Feuerungsanlage), den Wärmeverlust der Wärmeerzeuger durch Abstrahlung, den Verlust durch die zur Kondensation des Wassers im Brennstoff, benötigte Wärme durch häufige Starts der Heizung mit schlechtem Wirkungsgrad in der Startphase, niedrige Brennerlaufzeit durch zu groß dimensionierten Kessel, einen immer größeren Anteil am Energieverbrauch und tragen zur Verringerung des Anlagenwirkungsgrades und des Jahresnutzungsgrades der Heizanlage bei. Auch wenn moderne Einzelgeräte einer Heizungsanlage in der Regel einen Wirkungsgrad bei Nennleistung von über 90 % haben, beläuft sich der Jahresnutzungsgrad nur auf 60 – 80 %, die vom Heizkörper abgegeben werden.
Für Konstanttemperaturkessel mit den Betriebssituationen
- Stillstand
- Bereitschaft (Stand-by)
- Betrieb mit dem Jahresnutzungsgrad nach VDI 2067 und der angenäherten Berechnungsformel: Jahresnutzungsgrad (%) = ( Kesselwirkungsgrad (%) · Brennerlaufzeit [h/a] - 1 ) geteilt durch ( 1 + relativer Bereitschaftswärmeverlust · Einschaltdauer der Heizungsanlage [h/a] ).
Normnutzungsgrad
Der Normnutzungsgrad bezieht die neue Technik der Brennwertkessel mit modulierender Leistungsregelung (Teillastbetrieb) durch gestufte Teillastbetriebspunkte von 12,8 %, 30,3 %, 38,8 %, 47,6 % und 62,6 % der Nennleistung mit ein.
Die Berechnung ist nach DIN 4702 Teil 8 festgelegt für
- Heizbetrieb
- Warmwassererwärmung
- kombinierter Heizbetrieb mit allerdings nur etwa fünf Prozent Anteil Warmwassererwärmung.
Wirkungsgrade größer 100 %
Maschinen mit Wirkungsgraden größer oder gleich 100 % werden auch als Perpetuum Mobile bezeichnet. Solche Maschinen können aufgrund von fundamentalen Überlegungen (Energiesatz, Hauptsätze der Thermodynamik) nicht existieren. Deshalb können Wirkungsgrade von über 100 % in der Realität nicht auftreten. Wenn in der Praxis manchmal trotzdem Wirkungsgrade von über 100 % angegeben werden, so ergeben sich diese aus Berechnungen, die nicht alle Energieanteile berücksichtigen.
Ein Beispiel sind Brennwertkessel, bei denen teilweise heizwertbezogene Wirkungsgrade von über 100 % angegeben werden. Dabei wird unter „aufgewendeter Energie“ der Heizwert des Brennstoffes angesetzt. Der Heizwert berechnet sich jedoch aus der insgesamt freiwerdenden Wärme abzüglich der Verdampfungswärme für das bei der Verbrennung entstehende Wasser. Der Heizwert beinhaltet also nur einen Teil der gesamten Brennstoffenergie. Im Unterschied zum „konventionellen“ Heizkessel wird beim Brennwertkessel das Abgas soweit abgekühlt, dass das bei der Verbrennung verdampfte Wasser kondensiert. Die dabei freiwerdende 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 maximal 100 % erreicht.
Wärmepumpen und Kälteanlagen – z. B. Klimaanlagen und Kühlschränke – funktionieren als umgekehrte Wärmekraftmaschine. In der Fachliteratur wird bei diesen Geräten neben dem Begriff „Wirkungsgrad“ die Leistungszahl (ε) als Maß für die Effizienz verwendet. Die Herstellerangaben bezeichnen die Leistungszahl für Kälteanlagen allerdings oft als „Wirkungsgrad“. Die Wärmepumpe fördert die Wärmeenergie aus der Umwelt und bringt sie auf das gewünschte Temperaturniveau. Die dabei insgesamt bereitgestellte Wärmeleistung ist größer als die beim Verdichtungsprozess entstehende Wärmeleistung. Daher werden für diesen Prozess „Wirkungsgrade“ von über 100 % erreicht. Typische Werte liegen zwischen 300 % und 800 %, was einer Effizienz (= Leistungszahl) von 3 bis 8 entspricht. Zur Vermeidung von Verwechslungen wird der thermische Wirkungsgrad von Wärmepumpen und Kältemaschinen als COP (engl. Coefficient Of Performance) bezeichnet, der kleiner ist als der reziproke Carnot-Wirkungsgrad.
Beispiele
| Maschine, Prozess | Eingesetzte Energie | Nutzenergie | Wirkungsgrad / % |
| Bereitstellung von Nutzenergie | |||
| Kernkraftwerk[Anm. 2] | nuklear | elektrisch | 33 (fiktiv) |
| GuD-Kraftwerk (Erdgas) | chemisch | elektrisch | 50–60 |
| MHD-Generator | thermisch | elektrisch | < 30 |
| Solarzelle | elektromagnetisch (Sonnenstrahlung) | elektrisch | 5–27 (40) |
| Thermoelement (thermoelektrischer Generator) | thermisch | elektrisch | 3–8 |
| Wärmekraftwerk (Kohle) | chemisch | elektrisch | 25–50 |
| Wärmekraftwerk oder Motor mit Kraft-Wärme-Kopplung[Anm. 3] | chemisch | elektrisch & (thermisch) **) | 30–40 & (50–60) |
| Wasserkraftwerk | mechanisch | elektrisch | 80–90 |
| Windkraftanlage[Anm. 4] | mechanisch | elektrisch | bis 50 |
| Elektrolyse von Wasser | elektrisch | chemisch | 70-80 |
| Thermolyse von Wasser | thermisch | chemisch | 90 (fiktiv) |
| Maschinen und Geräte | |||
| Brennstoffzelle | chemisch | elektrisch | 20–60 |
| Dampfmaschine | chemisch | mechanisch | 3–44 |
| Stirlingmotor | thermisch | mechanisch | 10–66 |
| Verpuffungsstrahltriebwerk | chemisch | mechanisch | ? |
| Ottomotor | chemisch | mechanisch | 10–45 |
| Dieselmotor | chemisch | mechanisch | bis zu 50 |
| Zweitaktdieselmotor (bei Resonanzdrehzahl) | chemisch | mechanisch | 55 |
| Elektromotor | elektrisch | mechanisch | (> 90) 94–99,5 |
| Fahrraddynamo[Anm. 5] | mechanisch | elektrisch | 20–65 |
| Generator[Anm. 6] | mechanisch | elektrisch | 95–99,3 |
| Glühlampe (keine Halogenlampe)[Anm. 1] | elektrisch | elektromagnetisch (Licht) | 3–5 |
| Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung[Anm. 7] | elektrisch | elektrisch | 95 |
| Lautsprecher[Anm. 8] | elektrisch | akustisch | 0,1–40, typ. 0,3 für Hifi |
| LED[Anm. 1] | elektrisch | elektromagnetisch (Licht) | 5–25 |
| Schaltnetzteil (für elektrische oder elektronische Geräte) | elektrisch | elektrisch | 50–95 |
| Sendeanlage | elektrisch | elektromagnetisch (Radiowellen) | 30–80 |
| Thermoelement[Anm. 9] | thermisch | elektrisch | 3–8 |
| Transformator | elektrisch | elektrisch | 50–99,7 |
| Turbinentriebwerk (zivile Luftfahrt) | chemisch | mechanisch | 40 |
| Wechselrichter | elektrisch | elektrisch | 93–98 |
| Zahnradpumpe | mechanisch | mechanisch | bis 90 |
| Wärmeproduktion | |||
| Gasherd (Haushalt)[Anm. 10] | chemisch | thermisch | 30–40 |
| Elektroherd (Haushalt)[Anm. 10] | elektrisch | thermisch | 50–60 |
| Gasheizung | chemisch | thermisch | 80–90 |
| Kohleofen (Haushalt) | chemisch | thermisch | 30–50 |
| Kohleofen (Industrie) | chemisch | thermisch | 80–90 |
| Lagerfeuer (Kochstelle)[Anm. 11] | chemisch | thermisch | < 15 |
| Offener Kamin | chemisch | thermisch | 10–30 |
| Sonnenkollektor | elektromagnetisch (Sonnenstrahlung) | thermisch | < 85 |
| Tauchsieder | elektrisch | thermisch | > 98 |
| Natürliche Prozesse | |||
| Photosynthese-Reaktion | elektromagnetisch (Sonnenlicht) | chemisch | 35 |
| Glühwürmchen (Leuchtreaktion) | chemisch | elektromagnetisch (Licht) | < 95 |
| Mensch (Skelettmuskulatur) | chemisch | mechanisch | 0–30[2] |
| Umfangreichere Prozesse | |||
| Kohleabbau (Abbau von Kohle und anschließende Verbrennung)[Anm. 12] | chemisch | thermisch | 30–60 (?) |
| Photosynthese (Erzeugung von Biomasse und anschließende Verbrennung)[Anm. 13] | elektromagnetisch (Sonnenlicht) | chemisch | 0,1–2,5 |
Anmerkungen:
- ↑ 1,0 1,1 1,2
Die Angabe eines Wirkungsgrades für Nutzgrößen, die eine andere Einheit als Energie bzw. Leistung besitzen, ist generell nicht möglich. Im Falle von Lichtquellen z. B. ist die Nutzgröße der Lichtstrom, der die spektrale Empfindlichkeit des menschlichen Auges berücksichtigt. Die Größe für die Effizienz einer Lichtquelle ist die Lichtausbeute (Einheit: Lumen pro Watt). Es ist jedoch möglich, die Effizienz als das Verhältnis der Strahlungsleistung in einem „Idealspektrum“ gegenüber der Verbrauchsleistung anzugeben. Wählt man als Idealspektrum eines, das im sichtbaren Bereich zwischen 400 und 700 Nanometern dem Schwarzkörperspektrum entspricht und außerhalb dessen null ist, ergibt das für ein Schwarzkörperspektrum bei 2700 Kelvin (näherungsweise Standardglühlampe 60 Watt) eine Effizienz von etwa 5 %. Aufgrund der unscharfen Grenzen des sichtbaren Spektrums zum Infrarot- und Ultraviolettbereich ist solch eine Definition jedoch nicht eindeutig.
- Beispiele für die Effizienz von Lichtquellen siehe: Lichtausbeute.
- ↑ Der Wirkungsgrad von Kernkraftwerken wird nach offiziellen Berechnungsmethoden (IEA, EUROSTAT: Wirkungsgradansatz) fiktiv mit 33 % (= Wirkungsgrad eines durchschnittlichen Wärmekraftwerks) angesetzt, da dem Kernbrennstoff (z. B. Uran) nicht auf einfache Weise eine Art Brennwert (wie bei fossilen Energien) zugeordnet werden kann, d.h. es existiert physikalisch/ chemisch keine klar definierte Primärenergie. Bezogen auf die gesamte Spaltenergie von U235 liegt der Wirkungsgrad eines Kernkraftwerks bei knapp 10 %. Bei diesem Ansatz muss aber zusätzlich der Aufwand der Wiederaufarbeitung der Brennstäbe mit einkalkuliert werden.
- ↑ Mit Berücksichtigung der Wärme spricht man häufiger vom Nutzungsgrad. Der Wirkungsgrad zur Erzeugung von Strom ist bei Auskopplung von Wärme geringer als ohne Wärmeentnahme.
- ↑ Der Wirkungsgrad von Windkraftanlagen wird dadurch begrenzt, dass nach dem Betzschen Gesetz maximal 59,3 % der im Wind enthaltenen mechanischen Leistung in Nutzleistung umgewandelt werden kann. Da das Verhältnis der an die Rotorwelle abgegebenen Leistung zu der Leistung, die der Strömung im Nachlauf fehlt, bei einer modernen Windkraftanlage zwischen 70 und 85 % liegt, errechnet sich der gegebene Wert aus 85 % von 59,3 %.
- ↑ Bei fast allen Fahrraddynamos ist der Wirkungsgrad bei ca. 20 % anzutreffen, besonders effektive Dynamos mit Reiberädchen erreichen 25–30 %. Werte von 65 % lassen sich nur durch alternative Bauarten, wie Beispielsweise Nabendynamos im optimalen Geschwindigkeitsbereich erreichen.
- ↑ Gas- und Dampfturbinen besitzen einen Wirkungsgrad über 95 %. Bei thermischen Kraftwerken begrenzt der Carnot'sche Kreisprozess den Gesamtwirkungsgrad auf 35 - 60 %. Hinzu kommen bis zum Endverbraucher noch Umform- und Leitungsverluste. Wasserturbinen haben einen hydraulischen Wirkungsgrad von über 95 %, jedoch ist der effektive Wirkungsgrad einer Maschinengruppe (Staubecken-Druckrohr-Turbine-Generator oder Damm-Turbine-Generator) Durch mechanische und elektromagnetische Reibungs/Wärmeverluste bei meist 70 bis maximal 87 %.
- ↑ ohne Leitungsverluste
- ↑ Anders als bei Bühnenlautsprechern ist bei Heim-Lautsprechern und Studio-Monitoren die klangneutrale Wiedergabe wichtiger als „lauter“ Wirkungsgrad. Bei Lautsprechern wird in den Daten häufig der sogenannte „Wirkungsgrad“ angegeben, der gar keiner ist. Was man dort findet ist der Kennschalldruckpegel in dB/W/m (dB pro Watt in einem Meter Abstand, besser also dB/(W*m) ), was unwissenderweise gerne mit Wirkungsgrad bezeichnet wird.
- ↑ Thermoelemente werden für manche Zwecke auch zur Bereitstellung von Nutzenergie verwendet.
- ↑ 10,0 10,1 Ein Gasherd heizt die Umgebung. Ein Elektro-Induktionsherd heizt gezielt das Kochgeschirr, mit Wärmeverlusten in der Induktionselektronik. Dabei ist allerdings nur der Wirkungsgrad am Ort der Umwandlung berücksichtigt und nicht der Energieverlust bei der Stromerzeugung. Wird dieser berücksichtigt, hat ein Gasherd mindestens einen eben so guten Wirkungsgrad wie ein Elektroherd – je nach Wirkungsgrad des Kraftwerks.
- ↑ 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.
- ↑ Wirkungsgrad der Kohleförderung: Wie viele Tonnen Braun- bzw. Steinkohle muss ich fördern und für die Produktionsanlagen verstromen, um eine Tonne verkaufen zu können?
- ↑ Gesamtwirkungsgrad, d. h. auch einschließlich Energie, die zur Bereitstellung der Reaktionsmoleküle erforderlich ist.
- ) Die Angabe eines Wirkungsgrades mit unterschiedlichen "Zielenergiearten", in diesem Fall elektrisch & thermisch, ist nicht sinnvoll, da diese Energiearten eine unterschiedliche "Wertigkeit" besitzen (siehe auch Entropie). So können elektrische und mechanische Energie zu 100 % in Wärme umgewandelt werden, in die andere Richtung geht das nur in den weiter oben erwähnten Grenzen. Beispiel: ein Blockheizkraftwerk mit Umwandlung in 30 % elektrische und 60 % thermische Energie würde nach dieser Betrachtung einen (falschen) "Wirkungsgrad" von 30 %+60 %=90 % ergeben. Mit einem GuD-Kraftwerk mit 60 % elektrischen Wirkungsgrad kann ich 30 % elektrische Energie zur Verfügung stellen und mit den verbleibenden 30 % elektrischer Energie eine Wärmepumpe betreiben. Mit einer Nutzungsziffer von 5 erhalte ich damit 150 % Wärme (z. B. für eine Heizung) – also die 2,5-fache Menge des Blockheizkraftwerkes.
Angabe des Wirkungsgrades bei Lautsprecherdaten
Akustischer Wirkungsgrad η (Eta) eines Lautsprechers:
- $ \eta ={\frac {P_{\mathrm {ak} }}{P_{\mathrm {e} }}}\, $
Pak = abgegebene akustische Leistung
Pe = zugeführte elektrische Leistung
Die Definition des akustischen Wirkungsgrads stimmt mit der des akustischen Umsetzungsgrads überein.
In den Lautsprecherdaten wird nie der sehr niedrige Wirkungsgrad in Prozent angegeben, sondern der Kennschalldruckpegel in dB/W/m (bzw. dB/(W*m) ), der unrichtig mit „Wirkungsgrad“ bezeichnet wird. Der Wirkungsgrad liegt zwischen 0,002 und 0,02 - also nur zwischen 0,2 und 2 Prozent. Er kann in den Kennschalldruck umgerechnet werden:
$ {\mbox{Kennschalldruckpegel in dB}}=112+10\cdot \log _{10}({\mbox{Wirkungsgrad}})\, $
| Wirkungsgrad | in Prozent | Kennschalldruckpegel |
|---|---|---|
| 0,05 | 5 % | 99 dB |
| 0,02 | 2 % | 95 dB |
| 0,01 | 1 % | 92 dB |
| 0,005 | 0,5 % | 89 dB |
| 0,002 | 0,2 % | 85 dB |
Siehe auch
- Energieeinsparung
- Erntefaktor von Kraftwerken
- Wirkungsgrad von Transformatoren
- Kohlekraftwerk#Verbesserung des Wirkungsgrades
- Akkumulator#Energiedichte und Wirkungsgrad
- Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk#Wirkungsgrad
Belege
- ↑ Adolf J. Schwab: Elektroenergiesysteme. Erzeugung, Transport, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie. Springer, 2009, S. 84-86 (eingeschränkte Vorschau in der Google Buchsuche, abgerufen am 4. Januar 2012).
- ↑ Klaus Golenhofen: Basislehrbuch Physiologie: Lehrbuch, Kompendium, Fragen und Antworten. Elsevier, München, ISBN 978-3-437-42482-3, S. 110: >
Quellen
- Adolf J. Schwab: Elektroenergiesysteme – Erzeugung, Transport, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie. Springer Verlag, 2006, ISBN 3-540-29664-6, S. 76.
- Joachim Grehn, Joachim Krause: Metzler Physik Schroedel Verlag, 1998, ISBN 3-507-10700-7, S. 156–167.
- Gerold Schneider, Irmingard Thannhausser: Physik, Trauner, Linz 1986, ISBN 3-85320-364-7
Weblinks
Wiktionary: Wirkungsgrad – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen- Kennschalldruckpegel und Wirkungsgrad bei passiven Lautsprechern (sensitivity)
- Wirkungsgrad von Bühnenscheinwerfern
- Energetischer Wirkungsgrad – Erklärung und Beispiele bei www.energie-strom.com