Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad ist ein Messwert dafür, wie effizient ein Gerät, eine technische Anlage oder ein Prozess Energie nutzt. Sein Formelzeichen ist der griechische Buchstabe η (eta). Er vergleicht dafür zwei Energiemengen, einerseits die aufgewandte Energiemenge und andererseits die nutzbare Energiemenge. Je höher der Wert des Wirkungsgrads ist, desto höher ist die Effizienz der Anlage oder des Prozesses. In verschiedenen Systemen und Fachbereichen wird der Wirkungsgrad auch als Nutzungsgrad oder Arbeitszahl bezeichnet. Diese beziehen sich dann oft auf längere Zeiträume, in denen die Energieumwandlungen stattfinden.
Inhaltsverzeichnis
Definition
Arten von Wirkungsgraden
Wertebereiche
Berechnung
Gesamtwirkungsgrad
Arten von Wirkungsgraden
Es gibt verschiedene Arten von Nutzungsgraden. Dazu zählen zum Beispiel mechanische, biologische und Wärme-Wirkungsgrade – je nach Prozess, in dem ein Verhältnis zwischen zugeführter und abgegebener Energie entsteht.
Der mechanische Wirkungsgrad wird bei Maschinen und Getrieben verwendet. Er berücksichtigt Wärmeabgabeverluste der Bauteile genauso wie Reibungsverluste.
Biologische Wirkungsgrade spielen eine Rolle bei Stoffwechselprozessen von Lebewesen. Durch die Nahrung wird chemische Energie aufgenommen und durch Muskeln in mechanische Energie umgewandelt. Wie sich die beiden Größen zueinander verhalten, kann mithilfe eines biologischen Wirkungsgrades beschrieben werden.
Zu den Wärme-Wirkungsgraden zählen verschiedene Nutzungsgrade, die alle als Wärme-Nutzungsgrade zusammengefasst werden. Dazu zählen zum Beispiel:
- Thermischer Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis zwischen nutzbarer Arbeit eines thermodynamischen Systems und der zugeführten Wärmeenergie
- Feuerungstechnischer Wirkungsgrad gibt das Verhältnis der bei Verfeuerung eines Brennstoffes entstehenden Wärme und der dafür aufgebrachten Energiemenge an
Wertebereiche
Die zu erreichenden Werte des Wirkungsgrades liegen zwischen 0 Prozent und 100 Prozent, beziehungsweise zwischen 0 und 1. Dementsprechend spiegelt ein Wert von 1 oder 100 Prozent das optimale Verhältnis, nämlich 1:1 der zugeführten und abgegebenen Energiemenge wider. In der Praxis sind diese Werte allerdings nicht zu erreichen, weil in physikalischen Prozessen immer Energie in Form von Wärme umgewandelt wird oder durch elektrische Widerstände verloren geht. Werte >1 oder >100% entsprächen einer Maschine oder einem Prozess, der mehr Energie erzeugt, als ihm zugeführt wird. Eine solche theoretische Anlage wird als Perpetuum Mobile bezeichnet und kann aufgrund des Energieerhaltungssatzes nicht existieren.
Energieerhaltungssatz
Der Energieerhaltungssatz ist ein physikalisches Grundprinzip, das besagt, dass in einem isolierten System keine zusätzliche Energie erzeugt oder verloren gehen kann. Energie kann lediglich von einer Energieform in eine andere umgewandelt werden. Die Summe aller Energien ist dabei stets konstant.
Zu den wichtigsten Energieformen gehören:
- elektrische Energie
- magnetische Energie
- potenzielle Energie
- Spannungsenergie
Berechnung
Der Wirkungsgrad wird als Quotient zwischen Nutzenergie (Enutz) und zugeführter Energiemenge (Ezu) beschrieben, wie es auch die Formel unten zeigt. Alternativ dazu kann auch mit der abgegebenen Leistung oder Arbeit und der zugeführten Leistung oder Arbeit gerechnet werden. Da das Verhältnis von zugeführter zu abgegebener Leistung / Arbeit aufgrund von Übertragungsverlusten naturgemäß nie dem Optimum von 1:1 entspricht, wird die Differenz von Ezu (bzw. Pzu oder Wzu) und Enutz (bzw. Pab oder Wab) als Verlustleistung bezeichnet.
