Dieses Tutorial erklärt den Wirkungsgrad des Dampfkraftprozesses, sowie die relevanten Zusammenhänge.
3. Der Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad ist allgemein definiert als der Quotient aus Nutzen und Aufwand. Der Wirkungsgrad ist dimensionslos und liegt immer zwischen 0 und 1 (bzw. zwischen 0 und 100%). Mit dem Wirkungsgrad lässt sich die Effizienz von Prozessen messen und vergleichen. Je höher der Wirkungsgrad ist, desto besser wird die zugeführte Energie umgesetzt. Beispiele für Prozesse und deren Wirkungsgrade:
- Getriebe: Ein Getriebe wandelt mechanische Energie in mechanische Energie um. Ziel dabei ist die Änderung der Drehgeschwindigkeit und des Drehmomentes. Aufwand und Nutzen des Getriebes ist mechanische Arbeit. Ein kleiner Teil der zugeführten Energie geht durch Reibung verloren (bzw. wird in Wärme umgewandelt). Wirkungsgrad: Bis zu 99%.
- Benzinmotor: Aufwand ist die durch den Kraftstoff zugeführte chemische Energie, Nutzen die mechanische Arbeit zum Antrieb der Räder. Durch Reibung und heiße Abgase verlorene Energie verringern den Nutzen. Wirkungsgrad: Bis zu 35%
- Erste Dampfmaschinen Anfang des 18. Jahrhunderts: Aufwand ist die in der Kohle enthaltene Energie, Nutzen die mechanische Energie, die z. B. für industrielle Nutzung zur Verfügung steht. Wirkungsgrad: < 1%.
Der thermischen Energiewandlung sind auf Grund von thermodynamischen Gesetzen Grenzen gesetzt. Der Wirkungsgrad von Kraftwerksprozessen kann somit einen bestimmten Maximalwert nicht überschreiten. Die technische Umsetzung führt zu weiteren Verlusten und zu einem Wirkungsgrad, der normalerweise deutlich unter dem theoretischen Maximum liegt. Der theoretische Maximalwirkungsgrad eines Prozesses wird Carnot-Wirkungsgrad oder auch Carnot-Faktor genannt. Er ist der Wirkungsgrad eines sogenannten Carnot-Prozesses und gibt an, welcher Anteil der zugeführten Wärme maximal in Arbeit umgewandelt werden kann. Der Carnot-Kreisprozess besteht aus vier idealen Zustandsänderungen, ähnlich dem Dampfkraftprozess. Sein Wirkungsgrad lässt sich völlig unabhängig vom Arbeitsmittel und allen Einzelheiten der Bauart des Prozesses berechnen. Einflussgrößen sind nur die zwei Temperaturen:
- T1, bei der die Wärme hinzugefügt wird
- T2, bei der die Wärme abgeführt wird
Je höher T1 und je niedriger T2 ist, desto höher ist der Carnot-Wirkungsgrad. Untere Grenze für T2 ist dabei meist die Umgebungstemperatur (lediglich bei Kraftwerken mit Meerwasserkühlung kann Wärme bei Temperaturen unter der Umgebungstemperatur abgegeben werden).
Ein Wirkungsgrad von 100% könnte theoretisch nur erreicht werden, wenn die Temperatur T2 auf 0 Kelvin bzw. -273,1 °C gesenkt werden könnte bzw. T1 unendlich groß werden könnte.
In einem Kraftwerk setzt der Wirkungsgrad die “erzeugte” elektrische Energie ins Verhältnis zur eingesetzten Brennstoffenergie. Dampfkraftwerke erreichen dabei einen Wirkungsgrad von bis zu 46%, bezogen auf den Heizwert des eingesetzten Brennstoffs. Gasturbinen erreichen heute Wirkungsgrade bis über 35%, Gas-und-Dampfkraftwerke bis zu 62%.
