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Wirkungsgrad

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: 18.11.2018

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:

  • Moderne Kohlekraftwerke erreichen etwas über 40 %, alte nur z. B. 30 % oder manchmal gar unter 25 %.
  • Kernkraftwerke liegen typischerweise etwas niedriger (z. B. 35–40 %), da die erreichbaren Dampftemperaturen niedriger liegen.
  • Moderne GuD-Gaskraftwerke (mit einer Gas- und einer Dampfturbine) erreichen Werte deutlich oberhalb von 50 %, teils schon ca. 60 %.
  • Größere Elektromotoren und elektrische Generatoren können Wirkungsgrade von deutlich über 95 % haben, und dies in einem relativ weiten Lastbereich.
  • Ein Automotor (Ottomotor oder Dieselmotor) kann bei mittlerer bis hoher Last Wirkungsgrade im Bereich von 25 bis 40 % erreichen. Bei niedriger Auslastung (z. B. im Stadtverkehr) dagegen kann der Wirkungsgrad leicht auch unter 5 % absinken. Dieses Problem kann mit Hybridantrieben gelöst werden, bei denen niedrige Leistungen über einen Elektromotor erzeugt werden.
  • Wasserkraftwerke können teils über 90 % der Energie des Wassers ernten, abhängig von den Verhältnissen (Wassermenge, Fallhöhe, etc.).
  • Moderne Windturbinen können ca. 40–50 % der Energie des Winds ernten; der theoretische Maximalwert liegt bei ca. 59 %. Er ergibt sich daraus, dass die Luft hinter der Turbine zwangsläufig einen Teil ihrer Bewegungsenergie behält, weil sie ja abgeführt werden muss. Die Verluste im Generator sind dagegen relativ gering.
  • Bei Solarzellen liegen typische Wirkungsgrade im Praxiseinsatz bei 15 %, obwohl speziell optimierte Solarzellen im Labor über 40 % erreichen.

Die Gewinnung von Wärme ist meist mit höheren Wirkungsgraden möglich:

  • Effiziente Heizkessel wie z. B. Gas-Brennwertkessel können unter günstigen Umständen Wirkungsgrade von über 95 % bezogen auf den Brennwert oder über 105 % bezogen auf den (etwas niedrigeren) Heizwert erreichen.
  • Eine Elektroheizung erreicht genau 100 % Wirkungsgrad bezogen auf die elektrische Leistungszufuhr am Ort, und typisch einige Prozentpunkte weniger unter Berücksichtigung der Leitungsverluste zwischen Kraftwerk und Haus. Wird jedoch der Wirkungsgrad der Stromerzeugung mit einbezogen, ergeben sich sehr niedrige Systemwirkungsgrade von u. U. sogar unter 30 %.

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:

  • Der Wirkungsgrad berücksichtigt nicht, wie wertvoll die eingesetzte Energie ist. Beispielsweise ist die Nutzung von sonst verlorener Abwärme oder Umweltwärme selbst mit einem bescheidenen Wirkungsgrad energetisch vorteilhafter als die “effiziente” Gewinnung von Wärme aus wertvollen fossilen Rohstoffen oder elektrischer Energie.
  • Es ist häufig wichtig, den Systemwirkungsgrad und nicht nur den Wirkungsgrad einzelner Komponenten zu beachten. Beispielsweise ist eine Elektro-Direktheizung trotz 100 % Wirkungsgrad des Elektro-Heizkörpers ineffizient, wenn man die Energieverluste bei der Stromerzeugung und -verteilung berücksichtigt. Im Falle von Kraftwerken ist ggf. zusätzlich zu berücksichtigen, welche Energie zur Bereitstellung der Brennstoffe erforderlich ist; dies ist z. B. erheblich bei Braunkohle- und Kernkraftwerken. Ein anderer Aspekt ist die graue Energie zur Erstellung der Anlagen, die bei erneuerbaren Energien oft eine große Rolle spielt.
  • Relativ hohe Wirkungsgrade werden z. B. von Motoren und Heizkesseln häufig nur bei Volllast oder zumindest starker Auslastung erzielt, während die Effizienz bei geringer Last (im Teillastbetrieb) stark abfällt. Beispielsweise kann der Wirkungsgrad eines Benzin-Automotors bei Volllast über 25 % betragen, im Stadtverkehr aber weit unter 10 % fallen. Dagegen können gut konstruierte Elektromotoren auch bei niedriger Auslastung sehr effizient bleiben. Deswegen ist insbesondere im Stadtverkehr die Energieeinsparung durch den Elektroantrieb von Autos (statt Verbrennungsmotor) (→ Elektroauto) weit größer, als es aufgrund des Vergleichs der Volllast-Wirkungsgrade zu erwarten wäre.
  • Auch bei manchen Kraftwerken, z. B. Wärmekraftwerken, verursacht der Lastfolgebetrieb (mit variabler Leistung) in der Regel deutliche Wirkungsgradverluste.
  • Alle Wirkungsgrad-Betrachtungen lassen außer Acht, dass Effizienz auch sehr von der Art der Nutzung abhängen kann. Beispielsweise ist es extrem ineffizient, mit einem zwei Tonnen schweren Fahrzeug 10 km weit zu fahren, um ein Brot zu kaufen – selbst wenn das Antriebsaggregat sehr effizient ist. Ähnliches gilt für die Beheizung und Beleuchtung nicht oder nur schwach genutzter Wohnflächen.

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.

Wirkungsgrad und Kosten

Technische Verbesserungen, die den Wirkungsgrad z. B. von Elektrogeräten oder Maschinen erhöhen, sind oft mit höheren Herstellungskosten verbunden. Beispielsweise ist der Materialaufwand für verbesserte Elektromotoren häufig höher. In manchen Fällen dient die Erhöhung von Wirkungsgraden aber sogar der Reduktion von Kosten. Insbesondere gilt dies bei Solarzellen für Photovoltaikmodule. Wenn nämlich eine gegebene Leistung mit weniger Zellen erzielt werden kann oder wenn ein Modul gleicher Größe mehr Energie erzeugt, können die Kosten pro erzeugter Kilowattstunde sinken, selbst wenn die verbesserten Solarzellen teurer herzustellen sind.

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. (Leider geht dies auf Kosten der Lebensdauer.) 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.


Siehe auch unser Energie-Quiz!

Kommentare von Lesern

28.03.2018

Ihr Fragebogen über Energie ist falsch.

Ein “Tesla” ist 2 bis drei mal “sparsamer” als ein Diesel, sogar wenn der Strom aus Diesel hergestellt wird (Ölkraftwerk mit 45 % Wirkungsgrad).

Antwort vom Autor:

Das glaube ich nicht. Ein Tesla S braucht laut ADAC ca. 20,5 kWh / 100 km, mit 45 % Wirkungsgrad also 45,6 kWh / 100 km - mit Netzverlusten eher gegen 50 kWh, entsprechend ca. 5 Liter Diesel. So ein Auto würde aber kaum 10 bis 15 Liter Diesel verbrauchen, sondern eher ca. 6 oder 7. Das mag etwas mehr sein als beispielsweise zur Erzeugung der benötigten elektrischen Energie in einem Ölkraftwerk, aber keinesfalls wird das Elektroauto 2 bis 3 mal sparsamer.

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