Wirkungsgrad und Wert der Energie

Wirkungsgrad in der Physik

In diesem Video ist der physikalische Wirkungsgrad Thema. Dazu werden Beispiele verschiedener Energiewandler erläutert und ihr Wirkungsgrad erklärt.

Wirkungsgrad – Energieumwandlung

Energie ist gespeicherte Arbeit. Mit Energie kann also wieder Arbeit verrichtet werden. Energie kann in verschiedenen Formen vorliegen, z. B. als potentielle Energie einer gespannten Feder oder als elektrische Energie, gespeichert in einer Batterie. Bei der Bewegung eines Körpers liegt kinetische Energie vor. Die kinetische Energie des Windes z. B. treibt Windräder an. In Öl oder Holz ist chemische Energie gespeichert. Jeder Körper mit einer gewissen Temperatur hat thermische Energie. Die Sonne strahlt Energie ab, die man als Strahlungsenergie bezeichnet.

Liegt die Energie nicht in der Form vor, die im Alltag benötigt wird, so kommt ein Energiewandler zum Einsatz. Eine Glühbirne z. B. wandelt die elektrische Energie des Stromes in Strahlungsenergie um.

Wirkungsgrad – Energieentwertung

Es gibt sehr viele verschiedene Arten von Energiewandlern, aber nicht jede Energieform kann in jede beliebige umgewandelt werden. Hast du dir schon einmal die Frage gestellt, warum Energie überhaupt umgewandelt werden muss? Jede Energieform hat einen anderen Nutzen für uns. Wenn uns kalt ist, dann bringt uns potenzielle Energie wenig, aber thermische Energie sorgt dafür, dass unsere Körpertemperatur wieder steigt. Das beste Beispiel ist aber die elektrische Energie. Die elektrische Energie selbst können wir kaum nutzen. Sie ist aber praktisch, weil sie sich in so viele andere Energieformen umwandeln lässt.

Nicht jede Energieform hat den gleichen Wert für uns Menschen. Das liegt daran, dass sich nicht jede Energieform gleich gut nutzen bzw. umwandeln lässt. Elektrische, kinetische und potenzielle Energie lassen sich sehr gut umwandeln und dadurch gut nutzen. Daher haben diese Energieformen einen höheren Wert für uns. Thermische Energie hat den geringsten Wert. Diese kann nur umgewandelt werden, wenn sie von einem Körper mit hoher Temperatur, zum Beispiel dem Wasser in deiner Wärmflasche, zu einem Körper mit einer geringen Temperatur, zum Beispiel deinen ausgekühlten Füßen, fließt. Selbst dann jedoch nur unvollständig. Auch die thermische Energie, welche bei der Glühlampe oder dem Automotor entsteht, kann von uns nicht weiter genutzt werden. Man spricht dabei von Energieentwertung. Diese tritt bei allen Energieumwandlungen auf.

Wirkungsgrad – Definition

Bei der Umwandlung der Energie in die gewünschte Energieform geht ein Teil der Energie in nicht nutzbare Energieformen über. Diesen Teil nennt man den Energieverlust. Eine Glühlampe z. B. wandelt die elektrische Energie nicht vollständig in Strahlungsenergie um, sondern auch in thermische Energie – die Glühbirne wird heiß. Der Wirkungsgrad ist ein Maß für die Effizienz des Energiewandlers.

Wirkungsgrad – Formel und Formelzeichen

Um zu berechnen, wie groß der Anteil an nutzbaren und nicht nutzbaren Energieformen bei einer Energieumwandlung ist, gibt es den Wirkungsgrad. Dieser definiert sich durch das Verhältnis zwischen Nutzen und Aufwand.

$\text{Wirkungsgrad} = \dfrac{\text{Nutzen}}{\text{Aufwand}}$

Das Verhältnis von der Energie, die durch den Energiewandler genutzt werden kann, zu der Energie, die dem Energiewandler zugeführt wurde, wird als physikalischer Wirkungsgrad $\eta$ bezeichnet:

$\eta = \dfrac{E_{\text{nutzbar}}}{E_{\text{Zufuhr}}}$

Der Wirkungsgrad wird als Dezimalzahl oder als Prozentsatz angegeben.

Bei dem Formelzeichen $\eta$ handelt es sich um den griechischen Buchstaben Eta.

Da bei der Energieumwandlung nicht mehr Energie genutzt werden kann als dem Energiewandler zugeführt wurde, ist der theoretisch mögliche Höchstwert des Wirkungsgrades $1$ bzw. $100\%$:

$\eta \leq 1$

Der Wirkungsgrad ist $\geq 0$, da nicht weniger als gar keine der zugeführten Energie durch den Energiewandler nutzbar ist. Für reale Energiewandler gilt immer:

$0 < \eta < 1$

Eine Glühlampe hat zum Beispiel einen Wirkungsgrad von $5\,\%$. Das bedeutet, dass aus $100\,\%$ zugeführter elektrischer Energie nur $5\,\%$ der Energie in Licht und die anderen $95\,\%$ in Wärme umgewandelt werden.

Die Menge an zugeführter elektrischer Energie ist in diesem Beispiel der Aufwand und die erzeugte Strahlungsenergie der Nutzen. Eine Energiesparlampe hat einen etwas besseren Wirkungsgrad von etwa $25\,\%$, allerdings werden immer noch $75\,\%$ der Energie in Wärme umgewandelt.

Kraftwerke sind ebenfalls Energiewandler. Ihr Ziel ist es, andere Energieformen in elektrische Energie umzuwandeln. Ein normales Kohlekraftwerk hat einen Wirkungsgrad von $25\,\%$ – $50\,\%$. Also geht dabei von der eingesetzten chemischen Energie der Kohle $50\,\%$ – $75\,\%$ als Wärme verloren, der Rest wird in elektrische Energie umgewandelt. Die entstandene thermische Energie kann direkt an umliegende Häuser weitergeleitet werden und so ebenfalls nutzbar sein. Diese Wärme wird Fernwärme genannt. Damit lässt sich der Wirkungsgrad in einem Blockheizkraftwerk auf $80\,\%$ – $90\,\%$ erhöhen. Dabei werden jedoch eine Menge klimaschädliches $\mathrm{CO_2}$ und umwelt- bzw. gesundheitsschädlicher Feinstaub ausgestoßen, weshalb das Kohlekraftwerk trotz des guten Wirkungsgrads kein guter Energiewandler zur Gewinnung elektrischer Energie ist. Solarzellen haben z. B. einen geringeren Wirkungsgrad, sind aber deutlich umweltfreundlicher.

Wirkungsgrad – Beispiele

Da die Energieverluste nicht nutzbar sind, strebt man in der Praxis einen möglichst hohen Wirkungsgrad an. Effizientere Motoren z. B. verbrauchen bei gleicher Leistung weniger Sprit. Den Wirkungsgrad kann man erhöhen, indem man die entwertete Energie in einen weiteren Energiewandler einspeist. In einem Auto wird ein Teil der Abwärme zum Betrieb der Heizung genutzt. Eine Glühbirne hat einen Wirkungsgrad von nur ca. $5~\%$, ein moderner Dieselmotor von ca. $~45\%$. Die Energieverluste bestehen in beiden Fällen aus Wärmeenergie. Elektromotoren haben Wirkungsgrade von $95~\%$ und mehr.

Wirkungsgrad – Kraftwerk

Kraftwerke sind Energiewandler, die kinetische, thermische, chemische oder Strahlungsenergie in elektrische Energie umwandeln. Wasserkraftwerke wandeln bis zu $90~\%$ der potentiellen Energie des Wassers in elektrische Energie um. Moderne Kohlekraftwerke erreichen einen Wirkungsgrad von bis zu $45~\%$, Kernkraftwerke von ca. $35~\%$.

Wirkungsgrad – Tabelle

Hier siehst du eine Übersicht zum Wirkungsgrad gängiger Energiewandler.

Ausblick – das lernst du nach Wirkungsgrad und Wert der Energie

Als nächstes warten spannende Einblicke in der Energieübertragung und Energiespeicherung auf dich. Vertiefe außerdem deine Kenntnisse mit den Thema zu den Energieträgern.

Häufige Fragen zum Thema Wirkungsgrad und Wert der Energie