Die Bedeutung des Wirkungsgrads in Technik und Wirtschaft
Zwar weist jedes physikalische System (also auch Planeten oder Lebewesen) einen Wirkungsgrad auf, genutzt wird das Maß für die Güte der Energieumwandlung jedoch vorwiegend bei technischen Systemen. Dies können Motoren, Kraftwerke, Haushaltsgeräte oder industrielle Anlagen sein. Über den Wirkungsgrad lässt sich genau bestimmen, wie effizient ein System arbeitet und ob sich sein Betrieb – gerade im Vergleich mit alternativen Technologien – überhaupt im Hinblick auf Wirtschaftlichkeit sowie anderen Faktoren lohnt. Die Berechnung des Wirkungsgrads ist dabei vergleichsweise einfach: Es handelt sich immer um den Quotienten aus nutzbarer und aufgewendeter Energie, Arbeit, oder Leistung. Diese drei Größen sind aufgrund ihrer engen Verknüpfungen austauschbar, da Arbeit die Änderung von Energie darstellt und Leistung sich aus Arbeit durch Zeit errechnet, wobei die Zeit für zugeführte und abgegebene Leistung bei der Rechnung gleich groß ist.
Durch Betrachtung und Vergleich von Wirkungsgraden kann die Verwertung von Energie nachverfolgt und zudem optimiert werden, sofern die nötigen Anpassungen innerhalb eines Systems technisch möglich und wirtschaftlich sind. So hat etwa eine durchschnittliche Energiesparlampe einen Wirkungsgrad von etwa 25 Prozent, eine herkömmliche Glühlampe jedoch nur von 5. Folglich wandelt ersteres System fünfmal mehr elektrische Energie in Lichtausbeute um. Andersherum betrachtet, bedeutet dies, dass eine Energiesparlampe nur ein Fünftel des Stroms einer Glühbirne für dieselbe Leistung verbraucht. In Wahrheit ist eine Glühbirne kein Leuchtmittel sondern ein „Kleinheizgerät“. Den Einsparungen bei den Stromkosten gegenüber stehen die höheren Herstellungs- bzw. Anschaffungskosten einer Energiesparlampe im Vergleich zu einfachen Glühlampen. Diese höheren Kosten amortisieren sich jedoch schnell über die Stromersparnis, durchschnittlich nach etwa 1.000 Betriebsstunden, die in normalen Haushalten oft innerhalb eines Jahres anfallen. In die Kosten-Nutzen-Rechnung kann dann ebenfalls noch einfließen, dass eine Glühlampe nur etwa eine Lebensdauer von 2.000 Betriebsstunden und eine Energiesparlampe etwa 10.000 Stunden hat, bevor das System ersetzt werden muss. Wenn wir jetzt noch die Effizienz der LED-Technik den Energiesparlampen und den Glühbirnen gegenüberstellen, würde das an dieser Stelle zu weit führen.
Mit dem Wirkungsgrad lässt sich die Effizienz nahezu jedes Systems mit einem anderen, ähnlichen vergleichen und so Kosten und Nutzen abwiegen. So verfügen moderne Steinkohlekraftwerke über einen Wirkungsgrad von etwa 40 bis 50 Prozent, bei Pumpspeicherwasserkraftwerken sind es 75 bis 90. Ein Otto-Motor im Pkw erreicht eine Effizienz von 30 bis 35 Prozent, ein Elektromotor etwa 85.
Wie lässt sich der Wirkungsgrad von technischen Systemen steigern?
Die Nutzung von Technologien mit hohen Gesamtwirkungsgraden ist also der sinnvollste Weg, Energie und somit auch Ressourcen einzusparen. Ein Elektrofahrzeug, das mit Strom aus einem modernen Wasserkraftwerk geladen wird, verwertet (ohne Einberechnung der Energietransportverluste von etwa 5 bis 10 Prozent) mehr als 75 Prozent der ihm zugeführten Energie (0,9 x 0,85 = 0,765), während ein Verbrennungsmotor lediglich etwa 30 Prozent der eingebrachten Energie nutzbar macht. Selbst mit Strom aus einem modernen Kohlekraftwerk reduziert sich der Wirkungsgrad von E-Fahrzeugen insgesamt auf nur 40 Prozent. Diese effektivere Energieumwandlung spart dem Endnutzer nicht nur eine nicht unerhebliche Menge an Betriebskosten ein. Durch die geringere Notwendigkeit der Energieerzeugung aus fossilen Brennstoffen werden zudem weniger Emissionen freigesetzt und die Umwelt geschont. Das fördert die Dekarbonisierung der Wirtschaftssektoren und bremst den Klimawandel.
Um hohe Wirkungsgrade zu erzielen und diese Energieeinsparungen zu erreichen gibt es verschiedene Möglichkeiten. Zum einen müssen die technischen Systeme selbst oder die von ihnen genutzten Verfahren optimiert werden, damit sie mehr der zugeführten Energie in nutzbare Energie umwandeln. Hierfür werden beispielsweise in Motoren verbesserte Getriebestufen oder höhere Drehmomentgrenzen für diese genutzt. Hinsichtlich des Stromverbrauchs können Wicklungen und Spannungen angepasst werden. Auch eine Konstruktion aus robusteren und leichteren Materialien kann Wirkungsgrade enorm verbessern.
Neben der Optimierung der Technologie und der Erhöhung der primären Energieausbeute des verwendeten Verfahrens können Gesamtwirkungsgrade ebenfalls gesteigert werden, indem versucht wird, einen Teil der „Abfallenergie“ wiederzuverwerten. Besonders in Bezug auf thermische Energie, die für den Betrieb von Wärmekraftmaschinen oder Heizsystemen benötigt wird, sind hier große Potentiale vorhanden. In thermischen Kraftwerken, die fossile, nukleare oder biologische Brennstoffe oder aber Geo- und Solarthermie nutzen, geschieht dies über die Kraft-Wärme-Kopplung. Hierbei wird die beim Betrieb von Turbinen entstehende Abwärme als Prozesswärme weiterverwendet oder in Wärmenetze gespeist, wodurch die Wirkungsgrade steigen bzw. der Primärenergieverbrauch bei gleicher Leistung um bis zu 30 Prozent gesenkt werden kann. Moderne Brennwertkesseln nutzen neben der durch die Verbrennung des Heizstoffs freigesetzten Wärme ebenfalls die latente Wärme der Abgase und können den eingesetzten Energieträger dadurch fast vollständig energetisch verwerten.
Die Abwasserwärmerückgewinnung hilft beim Ressourcen-Sparen
Im Bestreben, die Bereitstellung von Energie so umweltfreundlich und ressourcenschonend wie möglich zu gestalten, um der Erderwärmung zu begegnen, werden immer öfter unkonventionelle und innovative Technologien genutzt, um den Wirkungsgrad eines Systems zu steigern. Eine hiervon ist die Abwasserwärmerückgewinnung. Gerade für die Körperpflege, das Waschen von Wäsche oder für industrielle Prozesse erwärmtes Wasser enthält noch viel thermische Energie, die in der Kanalisation aus dem Schmutzwasser wieder „herausgefiltert“ und aufbereitet werden kann, um sich erneut nutzen zu lassen. Die Energiegewinnung über Abwasserwärmetauscher ist dabei effizient, klimafreundlich und verhältnismäßig unkompliziert umzusetzen. Zudem ergeben sich aufgrund der kurzen Transportwege – die Wärme wird schließlich dort wiedergewonnen, wo sie anschließend auch benötigt wird – nur geringe Energieverluste. Studien zufolge könnte die Abwasserwärmerückgewinnung etwa 14 Prozent des deutschen Wärmebedarfs decken und dabei eine große Menge Ressourcen an anderer Stelle einsparen, vor allem Heizöl und -gas.
Wir von UHRIG haben uns auf den Kanalbau und moderne Abwassertechnik spezialisiert. Deswegen entwickeln und verbessern wir seit Jahrzehnten Systeme zur cleveren Kanalnetzbewirtschaftung. Dies schließt selbstverständlich die Abwasserwärmerückgewinnung über eigens von uns entwickelte Therm-Liner-Module mit ein. Möchten Sie also diese Technologie für die umweltfreundliche und wirtschaftliche Bereitstellung von Wärmeenergie nutzen, dann setzen Sie sich mit uns in Verbindung. Wir helfen Ihnen gern bei der Planung und Umsetzung aller Projekte in diesem Bereich.
