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Wirkungsgrad

COPYRIGHT TEXT & BILDER: Michael Bockhorst

Energie wird umgewandelt, um Energie einer anderen Qualität verfügbar zu machen: So wird in einem Kohlekraftwerk die chemische Energie des Brennstoffs Kohle in Wärme umgewandelt, diese Wärme in elektrische Energie. Die gewünschte Energieform ist die elektrische Energie. Der Wirkungsgrad dieser Umwandlung wird folgendermaßen bestimmt:

Wirkungsgrad = (Menge an verfügbar gemachter elektrischer Energie) / (Menge an eingesetzter chemischer Energie der Kohle)

Alternativ kann die Leistung, die ein Gerät abgibt, mit der Leistung verglichen werden, die es aufnimmt, z.B. bei einem Elektromotor:

Wirkungsgrad = (Leistungsabgabe) / (Leistungsaufnahme)

Diese Definition gilt sowohl für die Umwandlung von einer Energieart in die andere, z.B. von elektrischer Energie in mechanische Energie, wie auch für die Umwandlung hoher elektrischer Spannung auf ein niedrigeres Niveau, also eine Umwandlung innerhalb einer Energieart. Als Symbol für den Wirkungsgrad wird das kleine Eta des griechischen Alphabetes verwendet: $eta$.

Beispielwerte für Wirkungsgrade

Die Tabelle gibt Richtwerte für verschiedene Energiewandler an, für genaue Betrachtungen des Wirkungsgrades sei auf hiesige Einzeldarstellungen und auf Originalliteratur zu den jeweiligen konkreten Ausführungen der Energiewandler verwiesen.

Energiewandler von ...nach ...Wirkungsgrad [%]
Ottomotor chemischmechanisch15--25
Dieselmotor chemischmechanisch15--55
Elektromotor elektrischmechanisch50--98
Generator mechanischelektrisch50--98
Glühlampe elektrischLicht1--5
Leuchtstofflampe elektrischLicht10--15
Leuchtdiode elektrischLichtstrahlung5--15
Wasser-Turbine potentiell/kinetischmechanisch80--90
Dampfturbine thermischmechanisch5--65
Kohleofen (Hausheizung) chemischWärme30--50
Kohleofen (Großkraftwerk) chemischWärme80--90
Windkraftanlage mechanischelektrisch20-40
Wiederaufladb. Batterie elektrischchemisch70--80
Brennstoffzelle chemischelektrisch50--80
Solarzelle Lichtelektrisch10--25
Transformator elektrischelektrisch80--98
Raffination von Erdöl chemischchemisch90--95

Wirkungsgrad mehrerer nachfolgender Umwandlungen

Wenn man nun mehrere Energiewandlungen - dies ist in der Technik üblich - hintereinanderschaltet, so wird die in jeden Energiewandler hineingesteckte Energie um den entsprechenden Wirkungsgrad untersetzt. Eine solche ,,Wirkungsgrad-Kette`` ist hier am Beispiel der Lichterzeugung mit einer Leuchtstofflampe dargestellt:

EnergiewandlerEinzel-WirkungsgradGesamt-Wirkungsgrad
Kohle
100%
Kohleofen 90%
90%
Dampfturbine 45%
41%
Generator 98%
40%
Transformator 98%
39%
Verbundnetz 99%
39%
Transformator 98%
38%
Leuchtstofflampe 15%
6%

Grenzen der Aussagefähigkeit des Wirkungsgrades

Die Bedeutung des Wirkungsgrades einer Umwandlungstechnik oder eines Energiewandlers erlaubt zunächst nur die Begutachtung, wie effizient die Umwandlung ist, sie erlaubt keine direkten Rückschlüsse auf die Effizienz des entsprechenden Wandlers über dessen Lebensdauer für einen entsprechenden Einsatzzweck:

Eine industriell gefertigte Standard-Solarzelle hat einen Wirkungsgrad von etwa 15% (Stand 2010). Wenn sie einmal produziert ist, kann sie 10 bis 20 Jahre benutzt werden, ohne daß diese Zelle direkt mit zusätzlicher Energie versorgt werden muß. Allerdings ist die zur Herstellung dieser Solarzelle eingesetzte Energiemenge beträchtlich, während des Betriebs fallen noch energetische Aufwendungen zur Wartung einer Anlage zur Stromerzeugung an. Diese Effekte werden durch den sogenannten Energieerntefaktor berücksichtigt; erst bei modernen Solarzellen (seit ca. 1990) kann überhaupt unter terrestrischen Bedingungen auch z.B. in Deutschland mehr Energie gewonnen werden, als zu Herstellung und Betrieb eingesetzt wurden.

Dennoch sind Solarzellen eine hocheffiziente Stromversorgungsquelle für Satelliten im erdnahen Weltraum, weil sie dort zu 50-95% der Zeit die volle Sonneneinstrahlung erhalten. Die hohe Verfügbarkeit der Sonnenstrahlung, ihre geringe Masse und ihr einfacher Aufbau sind für diese Anwendung - trotz des relativ geringen Wirkungsgrades - so bedeutsam für die Effizienz dieses Energiewandlers, dass sie seit Mitte der 60er Jahre als Standard in der Raumfahrttechnik für den erdnahen Bereich eingesetzt werden:

Beispiel:
Eine Lithium-Batterie bester Energiekapazität kann bei einer Masse von 1 Kilogramm maximal 1 Kilowattstunde elektrischer Energie bereitstellen.

Ein Solarzellen-Panel von 1 Kilogramm Masse kann etwa 1 Quadratmeter aktive Fläche bereitstellen. Bei 20 Prozent Wirkungsgrad (hocheffiziente Solarzellen, kein Standard) werden bei 4500 Jahressonnenstunden (ca. 50 % der Gesamtzeit) mit diesem Solarzellenpanel etwa 1000 Kilowattstunden Strom produziert!


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