Читать книгу Deutschlands freier Fall - Hermann Rochholz - Страница 11

Der Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis von dem, was hinten herauskommt zu dem, was hineingesteckt wird. Bei allen technischen Vorgängen ist der Wirkungsgrad kleiner als 100 %.⁵ Setzt bspw. ein Elektromotor 80 % der elektrischen Energie in Rotationsenergie um (Ref. 53), so hat er 80 % Wirkungsgrad. Die restlichen 20 % der elektrischen Energie sind „Verluste“. Diese sind gemäß dem Energiesatz nicht wirklich verloren, sondern werden in eine andere Energieform umgewandelt: (Verlust)-Wärme. Führt man diese nicht korrekt ab, geht der Motor kaputt.

Schaltet man mehrere technische Vorgänge hintereinander, so kann man den Gesamtwirkungsgrad leicht dadurch berechnen, indem man die Wirkungsgrade (nicht die Verluste!) der einzelnen Prozesse multipliziert. Beträgt bspw. der Wirkungsgrad eines Kohlekraftwerkes 40 %, also 0,4 (Im Mittelwert korrekt), der Wirkungsgrad des Elektromotors, der etwas antreiben soll, 80 % und der Wirkungsgrad des Stromnetzes 92 % (8 % Verluste), so rechnet man 0.4 × 0,8 × 0,92 = 0,294. Dies bedeutet im konkreten Fall, dass 29,4 % der Verbrennungsenergie der Kohle in Rotationsenergie dieses Elektromotors umgesetzt werden.

Bei nur wenigen technischen Vorgängen ist der Wirkungsgrad nahe den 100 %. Das sind reine Verbrennungsvorgänge, elektrische Vorgänge und Vorgänge mit inkompressiblen Fluiden (Wasser).

Bei allen anderen technischen Prozessen (meist sog. „Kreisprozessen“), die mit Gasen zu tun haben oder bei denen mit Verbrennung ein mechanischer Antrieb verbunden ist (Gasturbine, Verbrennungsmotor), ist der Wirkungsgrad signifikant kleiner als 100 %, meist um die 60 %.

Dabei handelt es sich um eine physikalische und nicht um eine technische Grenze. Es besteht keine Verbesserungsmöglichkeit.

Die letzten Prozente – Reduzierung der Verluste

„Nach fest kommt ab!“, sagt der Schlosser, wenn er eine Schraube anzieht. Das bedeutet nichts anderes, als dass alles, was man übertreibt, nicht sinnvoll, sondern sogar kontraproduktiv ist.

Dies kann man wieder leicht anhand von Zahlen verdeutlichen: Geht man davon aus, dass ein großer Elektromotor eine Anschlussleistung von 100 kW hat (also aus dem elektrischen Netz braucht er 100 kW), aber die mechanische Leistung beträgt nur 50 kW, so hat er Verluste von 50 kW (die wie üblich als Wärme verloren gehen). Will man diesen Motor verbessern und erreichen, dass er 1 kW mehr mechanische Leistung bringt, so muss man die Verluste um 1 kW verringern. 1 kW besser bei 50 kW entsprechen 2 % Verbesserung. Die Verluste muss man dabei um 2 % reduzieren. Das erscheint einfach.

Heutzutage sind technische Geräte aber besser, die Wirkungsgrade sind dem maximal erreichbaren Wert viel näher. Nimmt man an, dass ein moderner Motor mit 100 kW Anschlussleistung 80 kW in mechanische Leistung umsetzt, so hat er 20 kW Verluste. Will man bei diesem Motor dann 1 kW besser werden, so entspricht dies einer Verbesserung um 1,25 %. Die Schwierigkeit hier: Dies bedeutet die Reduktion der Verluste um 1 kW von 20 kW auf 19 kW. Dies sind 5 %. Das ist viel.

Bei der Optimierung bereits hoch optimierter Systeme ist es also ungleich schwerer, eine Verbesserung zu erzielen. Meist ist es mit einem großen Aufwand verbunden. Man erreicht leicht eine Kostenexplosion. Meist muss man daher einen finanziell tragbaren Kompromiss finden.