Je besser die zugeführte Energie genutzt werden kann, desto höher ist der Wirkungsgrad einer Maschine. Ein hoher Wirkungsgrad bedeutet daher auch hohe Effizienz.

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Es gibt unterschiedlichste Maschinen, bei denen der Wirkungsgrad angegeben wird und daher besonders wichtig ist. Allen gemeinsam ist aber, dass der Wirkungsgrad immer gleich berechnet werden kann: Der Wirkungsgrad ist der Quotient aus Nutzenergie und zugeführter Energie.

Der Wirkungsgrad wird häufig in Prozent angegeben. Er kann aber nie höher als 100 Prozent sein, weil das bedeuten würde, dass mehr Energie aus dem Nichts entstünde – das gibt es leider nicht. Gäbe es eine Maschine, die mehr Energie erzeugen könnte, als ihr zugeführt wird, würde dies das physikalische Gesetz des Energieerhaltungssatz aushebeln. Oft wird der Wirkungsgrad als η angegeben und immer kleiner als 1.

Wirkungsgrad bei Kraftwerken

Die effizientesten Kraftwerke sind Wasserkraftwerke mit einem Wirkungsgrad von 85 bis 90 Prozent. Das bedeutet, dass der größte Teil der Wasserenergie in elektrische Energie umgewandelt werden kann.

Wärmekraftwerke haben einen Wirkungsgrad von 30 bis 45 Prozent. Jedoch kann mittels Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen (KWK-Anlagen) auch die Wärme genutzt werden. Hier wird zumeist Erdgas, Erdöl, Kohle oder auch Biomasse verbrannt, um Strom zu erzeugen. Durch den Verbrennungsprozess entsteht aber auch Wärme. Statt in die Luft zu verpuffen, wird diese genutzt und sorgt so für einen hohen Wirkungsgrad von rund 60 Prozent.

In Österreich sind rund 80 Prozent der thermischen Kraftwerkskapazitäten mit einer KWK ausgerüstet. 2015 wurden rund 30 TWh Wärme und rund 16 TWh Strom in KWK-Anlagen erzeugt. Durch die doppelte Nutzung können rund 4 Mio. Tonnen CO2 eingespart werden. Dennoch werden für die Verbrennung häufig fossile Brennstoffe genutzt, die einen hohen CO2-Ausstoß haben.

Bei Windkraft liegt der Wirkungsgrad bei etwa 45 bis 50 Prozent. Moderne Windkraftanlagen können daher dem Wind rund die Hälfte seiner Energie entnehmen, ganz ohne, dass dabei CO2 entsteht und dabei bis zu 15 Millionen kWh Strom erzeugen. Das physikalische Maximum der Ausnutzung der kinetischen Energie des Windes liegt übrigens bei 59,3 Prozent.

Der Wirkungsgrad von Atomkraft ist schlecht, denn nur rund ein Drittel der Energie durch die Kernspaltung kann tatsächlich in elektrischen Strom umgewandelt werden.

Bei PV-Anlagen kommt der Wirkungsgrad stark auf die Bauart an. Moderne Anlagen mit monokristallinen Solarzellen haben heutzutage einen Wirkungsgrad von rund 20 bis 25 Prozent. Der Wert ist deswegen relativ gering, da Solarzellen nur das sichtbare Licht der Sonne nutzen können und damit nur eine Nutzung von höchstens bis zu 30 Prozent möglich wäre. Idealerweise ist eine PV-Anlage daher mit einer für Solarthermie gekoppelt, die den Wirkungsgrad dann auf rund 50 bis 60 Prozent erhöhen kann.

Wirkungsgrad bei Autos

Bei Autos ist der Wirkungsgrad extrem unterschiedlich je nachdem welcher Antrieb genutzt wird. Einen sehr schlechten Wirkungsgrad haben Benzinmotoren, die meist zwischen 20 und 25 Prozent der zugeführten Energie auch in Bewegung umsetzen können. Die anderen 75 Prozent gehen als Abwärme und durch Reibung verloren und können nicht genutzt werden.

Dieselmotoren haben einen etwas besseren Wirkungsgrad mit rund 30 bis 35 Prozent. Doch auch hier geht der Großteil der zugeführten Energie nicht in die Bewegung, sondern in ungenutzte Wärme auf.

Sehr effizient sind hingegen E-Autos mit einem Wirkungsgrad von rund 70 bis 90 Prozent. Dies liegt daran, dass hier keine Verbrennung stattfindet, die die zugeführte Energie in Wärmeenergie umwandeln würde.

Am schlechtesten schneiden E-Fuels ab, denn diese haben einen schlechten Ausgangswert und liefern weniger Energie, zudem wird bei ihrer Erzeugung sehr viel mehr Energie benötigt. Sie haben einen Wirkungsgrad von nur rund 10 Prozent von der Energiequelle bis zum Fahrzeugrad.

Wirkungsgrad bei Heizung

Bei einer Heizung verrät der Wirkungsgrad wie effizient sie die eigenen vier Wände erwärmt. Bei Wärmepumpen liegt der Wirkungsgrad oft sehr hoch und wird mitunter mit 300 Prozent oder mehr angegeben. Doch halt – hier wird umgangssprachlich einfach die Leistungszahl mit dem Wirkungsgrad gleichgesetzt. Der eigentliche thermische Wirkungsgrad von Wärmepumpen und Kältemaschinen wird häufig als Leistungszahl oder auch als COP (Coefficient Of Performance) angegeben.

Auf die höheren Wirkungsgrade von 300 oder sogar 800 Prozent kommt man nur, wenn man auf Basis des Heizwertes und nicht auf Basis des Brennwertes rechnet. Für die hohen Werte rechnet man mit dem Heizwert des Brennstoffes, der die insgesamt freiwerdende Wärme misst, nicht aber Verdampfungsenergie durch Kondenswasser. Der Heizwert beinhaltet daher immer nur einen Teil der gesamten Brennstoffenergie.

Das klingt leider ziemlich kompliziert – daher lohnt sich hier auch ein Blick auf die Jahresarbeitszahl (JAZ), die die konkrete Leistung in einem speziellen Haus oder Wohnung angibt und daher reale Zahlen liefert.

Bei Gasheizungen liegt der erhöhte Wirkungsgrad bei 90 bis 95 Prozent, bei Holz und Pellets 80 bis 100. Ölheizungen schaffen so gerechnet 70 Prozent, der Nutzungsgrad hängt jedoch stark von der Qualität der Anlage und der Wartung ab.

( Artikel veröffentlicht: 17.04.2024 )