Zurück zur StartseitePhysik · Gymnasium 10 · Fach wechseln
Kostenlos starten
Gymnasium 10 · Physik
Lücken im Lehrplan: Körper, Magnetfeld, Wirkungsgrad, Strahlung und Bewertung · Wirkungsgrad und Energieeffizienz

Wirkungsgrad von Energiewandlern

Ein Wasserkocher, eine Glühlampe, ein Kohlekraftwerk: Alle nehmen Energie auf und geben Energie ab. Aber nur ein Teil davon ist das, was wir wirklich haben wollen. Eine Glühlampe, die 60 W aufnimmt, strahlt nur 3 W als Licht ab. Wo bleibt der Rest? Und kann eine Wärmepumpe mit „mehr als 100 %“ werben? Das klären wir in diesem Abschnitt der Physik.

Nutzenergie und Verluste

Ein Energiewandler wandelt eine Energieform in eine andere um: Der Elektromotor macht aus elektrischer Energie Bewegungsenergie, die Glühlampe aus elektrischer Energie Lichtenergie, das Kraftwerk aus chemischer Energie elektrische Energie.

Dabei gilt immer die Energieerhaltung: Es geht keine Energie verloren. Aber ein Teil wird in eine Form umgewandelt, die wir nicht nutzen wollen, meist Wärme. Diese Energie ist „entwertet“: Sie verteilt sich in der Umgebung und lässt sich kaum noch nutzen.

Energieflussdiagramm einer Glühlampe: 60 Watt zugeführt, 3 Watt Licht, 57 Watt Wärme Glühlampe zugeführt: 60 W Licht: 3 W Wärme: 57 W

Die Energie, die du nutzen willst, heißt Nutzenergie $E_\text{nutz}$. Die aufgenommene Energie heißt zugeführte Energie $E_\text{zu}$. Der Rest ist die Verlustenergie:

$$E_\text{zu} = E_\text{nutz} + E_\text{Verlust}$$

Der Wirkungsgrad

Um Geräte zu vergleichen, fragen wir: Welcher Anteil der zugeführten Energie wird zu Nutzenergie?

Der Wirkungsgrad hat keine Einheit. Man gibt ihn als Dezimalzahl oder in Prozent an: $\eta = 0{,}25 = 25\ \%$.

Warum ist $\eta \le 1$? Die Nutzenergie ist ein Teil der zugeführten Energie. Mehr Energie, als hineingesteckt wird, kann nicht herauskommen. Das wäre ein Verstoß gegen die Energieerhaltung.

Üben★☆☆Nicht begonnen
Definiere den Wirkungsgrad $\eta$ und gib die Formel an.

Definiere den Wirkungsgrad $\eta$ und gib die Formel an.

Lösen
Üben★☆☆Nicht begonnen
Ein Motor nimmt $500\ \text{J}$ elektrische Energie auf und gibt $400\ \text{J}$ mechanische Energie ab. Berechne den Wirkungsgrad.

Ein Motor nimmt $500\ \text{J}$ elektrische Energie auf und gibt $400\ \text{J}$ mechanische Energie ab. Berechne den Wirkungsgrad.

Lösen
Üben★☆☆Nicht begonnen
Warum kann der Wirkungsgrad eines Energiewandlers nie größer als $100\ \%$ sein?

Warum kann der Wirkungsgrad eines Energiewandlers nie größer als $100\ \%$ sein?

Lösen
Üben★★☆Nicht begonnen
Eine Glühlampe nimmt $60\ \text{W}$ auf und strahlt $3\ \text{W}$ als Licht ab. Eine LED-Lampe liefert dieselbe Lichtleistung bei $10\ \text{W}$ Leistungsaufnahme. a)…

Eine Glühlampe nimmt $60\ \text{W}$ auf und strahlt $3\ \text{W}$ als Licht ab. Eine LED-Lampe liefert dieselbe Lichtleistung bei $10\ \text{W}$ Leistungsaufnahme.

  1. a) Berechne beide Wirkungsgrade.
  1. b) Wie viel Energie spart die LED in $1.000\ \text{h}$ gegenüber der Glühlampe? Gib das Ergebnis in kWh an.
Lösen

Zugeführte Leistung und Abwärme berechnen

Oft ist der Wirkungsgrad bekannt und eine andere Größe gesucht. Dann stellst du die Formel um:

$$E_\text{nutz} = \eta \cdot E_\text{zu} \qquad E_\text{zu} = \frac{E_\text{nutz}}{\eta}$$

Das gilt genauso für die Leistungen $P$.

Üben★★☆Nicht begonnen
Ein Kohlekraftwerk hat einen Wirkungsgrad von $40\ \%$ und gibt $600\ \text{MW}$ elektrische Leistung ab. a) Berechne die zugeführte Leistung aus der Kohle. b) Wie groß…

Ein Kohlekraftwerk hat einen Wirkungsgrad von $40\ \%$ und gibt $600\ \text{MW}$ elektrische Leistung ab.

  1. a) Berechne die zugeführte Leistung aus der Kohle.
  1. b) Wie groß ist die Abwärmeleistung?
Lösen
Üben★★☆Nicht begonnen
Ein Elektroauto fährt mit einem Gesamtwirkungsgrad von $85\ \%$ von der Batterie zu den Rädern. Die Batterie liefert $60\ \text{kWh}$. a) Wie viel Energie kommt an den…

Ein Elektroauto fährt mit einem Gesamtwirkungsgrad von $85\ \%$ von der Batterie zu den Rädern. Die Batterie liefert $60\ \text{kWh}$.

  1. a) Wie viel Energie kommt an den Rädern an?
  1. b) Ein Benzinmotor hat $30\ \%$. Wie viel Energie müsste Benzin liefern, um dieselbe Energie an den Rädern bereitzustellen?
Lösen

Energieketten und Gesamtwirkungsgrad

Strom aus der Steckdose hat schon einen langen Weg hinter sich: Kraftwerk, Stromleitung, Gerät. Jede Stufe hat ihren eigenen Wirkungsgrad.

Energiekette mit drei Stufen: Kraftwerk 40 Prozent, Leitung 95 Prozent, Motor 90 Prozent Kraftwerk η₁ = 0,40 Leitung η₂ = 0,95 Motor η₃ = 0,90

Hinter dem ersten Wandler kommt nur noch der Anteil $\eta_1$ an. Davon nutzt der zweite wieder nur den Anteil $\eta_2$ usw. Deshalb multiplizierst du:

Üben★★★Nicht begonnen
Eine Energiekette besteht aus Kraftwerk ($40\ \%$), Stromleitung ($95\ \%$) und Elektromotor ($90\ \%$). a) Berechne den Gesamtwirkungsgrad. b) Beurteile, welche Stufe…

Eine Energiekette besteht aus Kraftwerk ($40\ \%$), Stromleitung ($95\ \%$) und Elektromotor ($90\ \%$).

  1. a) Berechne den Gesamtwirkungsgrad.
  1. b) Beurteile, welche Stufe die größten Verluste verursacht und wo Verbesserungen den größten Effekt hätten.
Lösen

Wasserkraftwerk und Wärmepumpe

Wasserkraftwerk

Fällt Wasser, wird Lageenergie frei: $E = m \cdot g \cdot h$. Pro Sekunde fällt die Masse $m = \rho \cdot V$, also ist die zugeführte Leistung

$$P_\text{zu} = \frac{m \cdot g \cdot h}{t} = \rho \cdot \frac{V}{t} \cdot g \cdot h$$

Wärmepumpe: Wirkungsgrad über 100 %?

Eine Wärmepumpe nimmt Strom auf und holt zusätzlich Wärme aus der Umgebung (Luft, Erdreich). Aus $1{,}0\ \text{kWh}$ Strom werden z. B. $3{,}5\ \text{kWh}$ Heizwärme. Die fehlenden $2{,}5\ \text{kWh}$ stammen aus der Umgebung. Die Energieerhaltung gilt also: $1{,}0 + 2{,}5 = 3{,}5\ \text{kWh}$.

Das Verhältnis von Wärme zu Strom heißt Jahresarbeitszahl (JAZ):

$$\text{JAZ} = \frac{E_\text{Wärme}}{E_\text{Strom}} = \frac{3{,}5\ \text{kWh}}{1{,}0\ \text{kWh}} = 3{,}5$$

Ein Heizstab wandelt $1{,}0\ \text{kWh}$ Strom in höchstens $1{,}0\ \text{kWh}$ Wärme um ($\eta \approx 1$, also JAZ = 1). Die Wärmepumpe liefert hier also die 3,5-fache Wärme bei gleichem Stromverbrauch.

Der Begriff „Wirkungsgrad über 100 %“ ist irreführend. Der Wirkungsgrad vergleicht Nutzenergie mit allen zugeführten Energien, hier also mit Strom und Umweltwärme. Dann bleibt er unter 100 %. Die Jahresarbeitszahl vergleicht nur mit dem bezahlten Strom und darf größer als 1 sein.

Bewertung der Werbung: Physikalisch ist die Aussage unsauber, denn „Wirkungsgrad über 100 %“ klingt nach einer Maschine, die Energie erzeugt. Die Leistung ist trotzdem real: Die Wärmepumpe braucht deutlich weniger Strom als ein Heizstab. Besser wäre die Angabe „Jahresarbeitszahl 3,5“.

Üben★★★Nicht begonnen
Ein Wasserkraftwerk nutzt einen Wasserstrom von $20\ \text{m}^3$ pro Sekunde bei einer Fallhöhe von $50\ \text{m}$. Die abgegebene elektrische Leistung beträgt…

Ein Wasserkraftwerk nutzt einen Wasserstrom von $20\ \text{m}^3$ pro Sekunde bei einer Fallhöhe von $50\ \text{m}$. Die abgegebene elektrische Leistung beträgt $7{,}0\ \text{MW}$. Verwende $g=10\ \text{m/s}^2$ und $\rho=1.000\ \text{kg/m}^3$.

  1. a) Berechne die zugeführte Leistung.
  1. b) Bestimme den Wirkungsgrad.
  1. c) Nenne zwei mögliche Ursachen der Verluste.
Lösen
Üben★★★Nicht begonnen
Ein Hersteller wirbt für ein Heizgerät mit „Wirkungsgrad über $100\ \%$“. Es handelt sich um eine Wärmepumpe, die im Jahresmittel aus $1{,}0\ \text{kWh}$ Strom…

Ein Hersteller wirbt für ein Heizgerät mit „Wirkungsgrad über $100\ \%$“. Es handelt sich um eine Wärmepumpe, die im Jahresmittel aus $1{,}0\ \text{kWh}$ Strom $3{,}5\ \text{kWh}$ Wärme bereitstellt.

  1. a) Erkläre, warum das keinen Widerspruch zur Energieerhaltung darstellt.
  1. b) Berechne die Jahresarbeitszahl und vergleiche mit einem Heizstab.
  1. c) Bewerte die Werbung.
Lösen

Zurück zum Anfang: Bei der Glühlampe werden 57 der 60 W zu Wärme, nur 5 % werden zu Licht. Und die Wärmepumpe verstößt nicht gegen die Energieerhaltung, weil sie Umweltwärme nutzt.

Auf einen Blick

Alle Aufgaben zu diesem Abschnitt anzeigen