Wirkungsgrad

Energie wird umgewandelt, um Energie einer anderen Qualität verfügbar zu machen: So wird in einem Kohlekraftwerk die chemische Energie des Brennstoffs Kohle in Wärme umgewandelt, diese Wärme in elektrische Energie. Die gewünschte Energieform ist die elektrische Energie

Der Wirkungsgrad dieser Umwandlung wird folgendermaßen bestimmt:

Wirkungsgrad =
(Menge an erzeugter elektrischer Energie) /
(Menge an eingesetzter chemischer Energie der Kohle)

Alternativ kann die Leistung, die ein Gerät abgibt, mit der Leistung
verglichen werden, die es aufnimmt, z.B. bei einem Elektromotor

Wirkungsgrad = (Leistungsabgabe) / (Leistungsaufnahme)

Diese Definition gilt sowohl für die Umwandlung von einer Energieart in die andere, z.B. von elektrischer Energie in mechanische Energie, wie auch für die Umwandlung hoher elektrischer Spannung auf ein niedrigeres Niveau, also eine Umwandlung innerhalb einer Energieart. Als Symbol für den Wirkungsgrad wird das kleine Eta des griechischen Alphabetes verwendet: η.

Beispielwerte für Wirkungsgrade

Die Tabelle gibt Richtwerte für verschiedene Energiewandler an, für genaue Betrachtungen des Wirkungsgrades sei auf hiesige Einzeldarstellungen und auf Originalliteratur zu den jeweiligen konkreten Ausführungen der Energiewandler verwiesen.

Energiewandler	von …	nach …	Wirkungsgrad [%]
Ottomotor	chemisch	mechanisch	15–25
Dieselmotor	chemisch	mechanisch	15–55
Elektromotor	elektrisch	mechanisch	50–98
Generator	mechanisch	elektrisch	50–98
Glühlampe	elektrisch	Licht	1–5
Leuchtstofflampe	elektrisch	Licht	10–15
Leuchtdiode	elektrisch	Lichtstrahlung	5–15
Wasser-Turbine	potentiell/kinetisch	mechanisch	80–90
Dampfturbine	thermisch	mechanisch	5–65
Kohleofen (Hausheizung)	chemisch	Wärme	30–50
Kohleofen (Großkraftwerk)	chemisch	Wärme	80–90
Windkraftanlage	mechanisch	elektrisch	20-40
Wiederaufladb. Batterie	elektrisch	chemisch	70–80
Brennstoffzelle	chemisch	elektrisch	50–80
Solarzelle	Licht	elektrisch	10–25
Transformator	elektrisch	elektrisch	80–98
Raffination von Erdöl	chemisch	chemisch	90–95

Wirkungsgrad mehrerer nachfolgender Umwandlungen

Wenn man nun mehrere Energiewandlungen – dies ist in der Technik üblich – hintereinanderschaltet, so wird die in jeden Energiewandler hineingesteckte Energie um den entsprechenden Wirkungsgrad untersetzt. Eine solche ,,Wirkungsgrad-Kette„ ist hier am Beispiel der Lichterzeugung mit einer Leuchtstofflampe dargestellt:

Energiewandler	Einzel-Wirkungsgrad	Gesamt-Wirkungsgrad
Kohle		100%
Kohleofen	90%	90%
Dampfturbine	45%	41%
Generator	98%	40%
Transformator	98%	39%
Verbundnetz	99%	39%
Transformator	98%	38%
Leuchtstofflampe	15%	6%

Grenzen der Aussagefähigkeit des Wirkungsgrades

Die Bedeutung des Wirkungsgrades einer Umwandlungstechnik oder eines
Energiewandlers erlaubt zunächst nur die Begutachtung, wie effizient die Umwandlung ist, sie erlaubt keine direkten Rückschlüsse auf die Effizienz des entsprechenden Wandlers über dessen Lebensdauer für einen entsprechenden Einsatzzweck:

Eine industriell gefertigte Standard-Solarzelle hat einen Wirkungsgrad von etwa 15% (Stand 2010). Wenn sie einmal produziert ist, kann sie 10 bis 20 Jahre benutzt werden, ohne daß diese Zelle direkt mit zusätzlicher Energie versorgt werden muß. Allerdings ist die zur Herstellung dieser Solarzelle eingesetzte Energiemenge beträchtlich, während des Betriebs fallen noch energetische Aufwendungen zur Wartung einer Anlage zur Stromerzeugung an. Diese Effekte werden durch den sogenannten Energieerntefaktor berücksichtigt; erst bei modernen Solarzellen (seit ca. 1990) kann überhaupt unter terrestrischen Bedingungen auch z.B. in Deutschland mehr Energie gewonnen werden, als zu Herstellung und Betrieb eingesetzt wurden.

Dennoch sind Solarzellen eine hocheffiziente Stromversorgungsquelle für Satelliten im erdnahen Weltraum, weil sie dort zu 50-95% der Zeit die volle Sonneneinstrahlung erhalten. Die hohe Verfügbarkeit der Sonnenstrahlung, ihre geringe Masse und ihr einfacher Aufbau sind für diese Anwendung – trotz des relativ geringen Wirkungsgrades – so bedeutsam für die Effizienz dieses Energiewandlers, dass sie seit Mitte der 60er Jahre als Standard in der Raumfahrttechnik für den erdnahen Bereich eingesetzt werden: