Energieeffizienz und Wirkungsgrad

Energieeffizienz und Wirkungsgrad unterscheiden sich bei verschiedenen Kraftwerkstypen. Schlechte Wirkungsgrade müssen jedoch nicht zwangsläufig für eine schlechtere Form der Energiegewinnung stehen.

Auf Kühlschränken und auf Autos, auf Toastern und auf Heizgeräten klebt die Energieeffizienz-Ampel: Ein kleiner Aufkleber, der Verbrauchern auf den ersten Blick zu erkennen gibt, wie effizient das Gerät ist, das sie kaufen wollen. Auch in der Debatte um erneuerbare Energien wird von Effizienz gesprochen: Die Effizienz verschiedener Kraftwerkstypen wird verglichen und es wird von effizienten Energieträgern gesprochen. Das naturwissenschaftliche Pendant ist der Wirkungsgrad: Die Energie, die ein Kraftwerk als elektrische Energie verlässt, wird durch die Energie geteilt die der Energieträger anfangs hatte.

WirkungsgradeKraftwerk

 

Die Wirkungsgrade verschiedener Kraftwerkstypen unterscheiden sich, wie die obige Grafik zeigt, erheblich: Der schlechte Wirkungsgrad des Atomkraftwerks kommt vor allem von der häufigen Umwandlung der Energieformen. Die Brennstäbe verdampfen Wasser. Der Dampf treibt eine Turbine an, wird also in Bewegungsenergie umgewandelt, die wiederum einen Generator antreibt, welcher die Bewegungsenergie in elektrische umwandelt. Bei jedem Umwandlungsschritt entstehen Verluste durch Abwärme, die sich am Ende auf etwa 65 Prozent summieren.

Carnot‘sches Gesetz

Dass Energie als Abwärme verloren geht, wenn sie von der einen in die andere Form umgewandelt wird ist ein physikalisches Gesetz: Nach dem französischen Physiker Carnot muss bei der Umwandlung von thermischer in mechanische Energie ein Teil der Energie als Wärme entweichen. Der größtmögliche Wirkungsgrad ist der Carnot-Wirkungsgrad.

Dabei handelt es sich um einen nur theoretisch möglichen Prozess, in dem eine Maschine Wärme in Arbeit umwandelt. Selbst dieser theoretisch mögliche Wirkungsgrad ist immer kleiner als 100 Prozent. In der Realität verschlechtert sich der Wirkungsgrad nochmals, da durch Reibung oder Luftwiderstand Energie in unerwünschte Wärme umgewandelt wird. Je mehr solcher Umwandlungsprozesse hintereinander geschaltet sind, desto geringer wird der gesamte Wirkungsgrad der Anlage.

Erneuerbare Energien

Im Gegensatz zum Atomkraftwerk hat das Wasserkraftwerk einen sehr hohen Wirkungsgrad, denn es besteht im Wesentlichen aus Turbine und Generator. Beide haben einen relativ hohen Wirkungsgrad, da hier lediglich eine lineare Bewegung in eine Drehbewegung gewandelt wird, die wiederum den Generator antreibt.

Auch der Wirkungsgrad einer Windkraftanlage ist physikalisch gedeckelt. Um die Flügel des Windrades strömt die Luft langsamer, da sie einen weiteren Weg zurücklegen muss. Durch den so entstehenden Widerstand staut sich die Luft vor dem Windrad und etwa 40 Prozent der Luft strömen um das Windrad herum. Durch die Verlustleistung des Getriebes und des Generators werden so etwa 50 Prozent der Energie des Windes in Strom gewandelt.

Kraftwerke

Die Wirkungsgrade von Photovoltaikanlagen schwanken aktuell zwischen zwei und 25 Prozent – der aktuelle Weltrekord liegt bei 46 Prozent. Diese Daten werden allerdings unter Standard-Testbedingungen ermittelt. Dieser Wert kann bei Temperaturerhöhungen oder bei flachem Einfallswinkel des Sonnenlichts, was fern des Äquators typisch ist, um 10 bis 15 Prozent zurückgehen.

Es mag erstaunen, dass im Zuge der Energiewende Atom- oder Kohlekraftwerke mit relativ hohem Wirkungsgrad durch Photovoltaikanlagen mit nur einem Bruchteil des Wirkungsgrades ersetzt werden. Der große Unterschied zwischen regenerativen und konventionellen Energieträgern liegt darin, dass geringe Wirkungsgrade bei regenerativen Energieträgern wenig Auswirkungen haben. Dass bei einer Photovoltaikanlage bis zu 98 Prozent der Sonnenstrahlung als Wärme abgeleitet werden ist zu verschmerzen – das wäre ohne die Photovoltaikanlage ebenso passiert. Wenn aber von radioaktivem Material nur etwa 30 Prozent tatsächlich in Strom umgewandelt werden wiegt das bedeutend schwerer. Zwar kann durch Wiederaufbereitung ein Teil des Plutoniums wiederverwendet werden – trotzdem produziert ein 1000 Megawatt-Reaktor 750 kg radioaktiven Müll pro Jahr mit einer Halbwertszeit zwischen 24.000 und einer Million Jahren.

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