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Wirkungsgrad

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Definition: Anteil der eingesetzten Energie, die in die gewünschte nutzbare Energieform umgewandelt werden kann

Englisch: efficiency, power efficiency factor

Kategorien: Energieeffizienz, Grundbegriffe, physikalische Grundlagen

Formelsymbol: η

Einheit: (dimensionslos bzw. in %)

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta (G+)

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 06.03.2010; letzte Änderung: 22.11.2016

Der energetische Wirkungsgrad einer Maschine ist eine quantitative Angabe ihrer Energieeffizienz. Er ist das Verhältnis der erzeugten nutzbaren Energie zur eingesetzten Energie. Beispielsweise hat ein Elektromotor einen Wirkungsgrad von 90 %, wenn er aus 1 kW elektrischer Leistung eine mechanische Antriebsleistung von 0,9 kW erzeugt. (Die restlichen 0,1 kW werden als Verlustleistung bezeichnet und werden als Wärme frei.) Häufig hängt der Wirkungsgrad stark von den Betriebsbedingungen ab, beispielsweise von der Belastung und Drehzahl eines Motors oder von den Druckverhältnissen bei einer Pumpe. Meist ist es von Interesse, nicht den maximalen Wirkungsgrad eines Geräts zu optimieren, sondern den über verschiedene Betriebsbedingungen gemittelten Wirkungsgrad.

Wirkungsgrade können auch für aus mehreren Komponenten zusammengesetzte Systeme angegeben werden; man spricht dann oft vom Systemwirkungsgrad.

Der Begriff Nutzungsgrad ist ähnlich, aber nicht völlig gleichbedeutend mit dem Wirkungsgrad.

Typische Wirkungsgrade

Bei der Erzeugung elektrischer Energie haben verschiedene Technologien sehr unterschiedliche Wirkungsgrade:

Die Gewinnung von Wärme ist meist mit höheren Wirkungsgraden möglich:

Energetischer Gesamtwirkungsgrad bei Mehrfachnutzung

Bei Heizkraftwerken und anderen Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung werden zwei verschiedene Arten nutzbarer Energie abgegeben: elektrische Energie und Niedertemperaturwärme. Entsprechend gibt es einen elektrischen Wirkungsgrad von z. B. 30 % und einen thermischen Wirkungsgrad von z. B. 50 %. Der Gesamtwirkungsgrad (die Summe der beiden Zahlen) liegt häufig bei ca. 80–90 %. Sinnvoller ist jedoch die Angabe eines effektiven Gesamtnutzungsgrads mit gewichteter Berücksichtigung der Strom- und Wärmeerzeugung.

Wirkungsgrad und Energieeffizienz

Aus mehreren Gründen ist ein hoher energetischer Wirkungsgrad nicht unbedingt mit hoher Energieeffizienz gleichzusetzen:

Ein weiteres Beispiel gibt der Vergleich von Sonnenkollektoren mit Photovoltaikmodulen: Der Wirkungsgrad der letzteren fällt bei schwacher Besonnung viel weniger ab, und die erzeugte elektrische Energie hat eine höhere Wertigkeit.

Differenzieller Wirkungsgrad

Der differenzielle Wirkungsgrad einer Maschine gibt an, in welchem Maße sich eine kleine Erhöhung der aufgenommenen Leistung auf die abgegebene Leistung auswirkt. Ist er z. B. 30 %, so bedeutet dies, dass für jedes zusätzliche Watt aufgenommener Leistung 0,3 W zusätzlich abgegeben werden können.

Der differenzielle Wirkungsgrad ist häufig höher als der eigentliche Wirkungsgrad. Dies bedeutet, dass der letztere ansteigt, wenn die aufgenommene Leistung erhöht wird: Die Maschine wird umso effizienter, je höher ihre Auslastung ist. Beispielsweise ist dies bei einer Glühlampe der Fall: Eine etwas höhere Betriebsspannung erhöht die Leistungsaufnahme, während die abgegebene Lichtleistung stärker zunimmt. Umgekehrt nimmt die Leistungsaufnahme beim Herunterdimmen einer Glühlampe weniger ab, als man es aufgrund der reduzierten Helligkeit erwarten könnte.

Exergetischer Wirkungsgrad

Die Defizite reiner Betrachtungen des energetischen Wirkungsgrads können teilweise vermieden werden, wenn zusätzlich auch der exergetische Wirkungsgrad berücksichtigt wird. Dieser gibt den Anteil der Exergie an, welcher z. B. bei einem Prozessschritt erhalten bleibt. Große Exergie-Verluste bei einem Schritt sind häufig ein Hinweis darauf, dass (evtl. auch anderer Stelle in der Prozesskette) auch die energetische Effizienz leiden kann.

Temperaturwirkungsgrad von Wärmeübertragern

Der Temperaturwirkungsgrad eines Wärmeübertragers gibt an, wie viel vom theoretisch möglichen Wärmeübergang erzielt wird. Bei Gegenstrom-Wärmeübertragern können im Idealfall annähernd 100 % erreicht werden. Solche Werte hängen allerdings von den Betriebsbedingungen ab, insbesondere von der Größe der Stoffströme. Der Artikel über Wärmerückgewinnung diskutiert ausführlich, dass die Quantifizierung der Energieeffizienz von Wärmerückgewinnungssystemen etliche nicht-triviale Aspekte enthält, und dass entsprechend diverse Begriffe mit deutlich unterschiedlicher Bedeutung verwendet werden.

Siehe auch: Nutzungsgrad, Energie, Exergie, Energieeffizienz, Leistungszahl, Energy Efficiency Ratio, Verlustleistung, Jahresarbeitszahl, Wärmerückgewinnung, Aufwandszahl, Strahlungswirkungsgrad
sowie andere Artikel in den Kategorien Energieeffizienz, Grundbegriffe, physikalische Grundlagen

Alles verstanden?


Frage: Der Wirkungsgrad des Antriebs beträgt bei einem Elektroauto rund 90 %, mit Benzinmotor höchstens knapp 40%. Folgt daraus, dass ein Elektroauto viel weniger Primärenergie verbraucht?

(a) Ja, denn sein Motor braucht viel weniger Energie, um die benötigte mechanische Antriebsenergie bereitzustellen.

(b) Nein, denn die Stromerzeugung im Kraftwerk braucht viel mehr Primärenergie, als in Form von Strom gewonnen wird.

(c) Ja, solange sehr langsam gefahren wird.


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