Wirkungsgrad - Neue Definition hinsichtlich der Energiewende

Der Wirkungsgrad gibt im Allgemeinen an, wie hoch die Effizienz eines Geräts unter Berücksichtigung von Umwandlungsverlusten ist.1 Im technischen Bereich wird der Wirkungsgrad meist mit einem kleinen Eta (η) abgekürzt.2 Berechnet wird der Wirkungsgrad mittels Nutzen und Aufwand beziehungsweise Verlust und Aufwand. Den Wirkungsgrad berechnen kann man mit den folgenden Gleichungen:

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Beim Berechnen des Wirkungsgrads ist das Ergebnis davon abhängig, was als Nutzen beziehungsweise Verlust und was als Aufwand angesehen wird.3 Energieumwandler können anhand dieses energetischen oder anhand des exergetischen Wirkungsgrads beurteilt werden. Mittels des exergetischen Wirkungsgrads kann der Wert der beteiligten Energieart berücksichtigt werden.4

Energetischer und exergetischer Wirkungsgrad

Gewohnterweise wird die Qualität eines Energiewandlers beziehungsweise einer Energieübertragung durch den sogenannten energetischen Wirkungsgrad angegeben. Diesen Wirkungsgrad berechnen kann man, indem man die zur Erzielung eines bestimmten Nutzens abgegebene Energie En durch die zu diesem Zweck aufgewendete Energie Ea teilt:

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Allerdings beinhaltet die Berechnung des energetischen Wirkungsgrads oft eine Fehleinschätzung der Effektivität eines Energiewandlers, da die maximal möglichen Wirkungsgrade einer Vorrichtung keine Berücksichtigung finden. Werden dagegen die Werte der beteiligten Energiearten berücksichtigt, fällt eine Beurteilung häufig anders aus. Beispielsweise wandelt eine Wärmekraftmaschine minderwertige Wärme in qualitätsvolle mechanische Energie um, wird aber der energetische Wirkungsgrad berechnet, fällt dieser nicht besonders hoch aus. Andererseits wandelt beispielsweise eine Widerstandsheizung hochwertige Energie in minderwertige Wärme um, sie besitzt aber einen hohen energetischen Wirkungsgrad. Die Definition des exergetischen Wirkungsgrads ermöglicht eine realistischere Bewertung von Energieumwandlungsvorgängen. Der exergetische Wirkungsgrad, der oft mit dem kleinen Zeta (ζ) dargestellt wird, wird berechnet, indem man zunächst die genutzte Energie Xn durch die zugeführte Energie Xz teilt:

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Die Exergie ist ein Maß der Arbeitsfähigkeit eines Systems, ζ zeigt dementsprechend an, wie viel Arbeitsfähigkeit bei einem Prozess verloren geht. Dieses Maß gibt also an, wie weit ein Prozess vom Idealfall der Reversibilität entfernt ist. Im Idealfall gilt:

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Der exergetische Wirkungsgrad lässt sich beschreiben mit:

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Dagegen kann der maximale energetische Widerstand sowohl kleiner als auch größer als eins sein. Verdeutlicht werden kann die Relation zwischen dem energetischen und dem exergetischen Wirkungsgrad, indem der Zusammenhang zwischen der Energie E und der Exergie X mit Hilfe des sogenannten Exergiefaktors, der mit dem kleinen Epsilon (ε) dargestellt wird, ausgedrückt wird:

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Findet der Exergiefaktor Berücksichtigung, so ergibt sich die Formel:

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Somit erhält man zur Berechnung des Wirkungsgrads schlussendlich die Gleichung:

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Durch den exergetischen Wirkungsgrad kann also ein Energiewandler anhand der Effektivität bewertet werden, die er maximal unter gleichen äußeren Bedingungen haben könnte.5

Der Wirkungsgrad in der Photovoltaik

Im Bereich der Photovoltaik werden sowohl Solarzellen als auch Stromspeicher mit einem Wirkungsgrad bewertet. Durch die Forschung und die Weiterentwicklung dieser Technologien werden die Wirkungsgrade in der Photovoltaik beständig verbessert. Es gibt diverse Arten von Speichersystemen, die elektrische Energie speichern und bei Bedarf wieder abgeben können. Grundsätzlich wird zwischen Kurzzeitspeichern und Langzeitspeichern unterschieden. Kurzzeitspeicher sind darauf ausgelegt, elektrische Energie für Stunden beziehungsweise Tage zu speichern, zu ihnen zählen Spulen, Kondensatoren und Schwungmassespeicher, die in der Regel einen Wirkungsgrad von 80 bis 95 Prozent aufweisen. Eine Untergruppe stellen Akkumulatoren dar, bei denen eine reversible elektrochemische Reaktion zur Speicherung von Energie genutzt wird. Blei-Säure-Akkus, Lithium-Ionen-Akkus und Redow-Flow-Batterien gehören zu dieser Gruppe der elektrochemischen Speicher, sie besitzen einen Wirkungsgrad von 65 bis 95 Prozent. Auf die Energiespeicherung über Wochen und Monate sind Langzeitspeicher ausgelegt. Vor allem für die Speicherung von saisonalen Überschüssen, wie sie bei der Photovoltaik und der Windkraft auftreten, sind diese Stromspeicher unbedingt notwendig. Unter den Langzeitspeichern sind Druckluftspeicher und Pumpspeicher zu finden, die über einen Wirkungsgrad von 45 bis 85 Prozent verfügen.6 Bedeutend ist der Wirkungsgrad in der Photovoltaik bei Solarzellen. Kommerziell produzierte Solarzellen weisen derzeit einen Wirkungsgrad von 18 bis 20 Prozent auf.7 An Steigerungen des Wirkungsgrads wird kontinuierlich gearbeitet, dabei müssen Solarzellen jedoch wirtschaftlich bleiben, das heißt, die Herstellungskosten sollen bei mehr Effizienz nicht steigen. Es gibt verschiedene Ansätze, um in der Photovoltaik den Wirkungsgrad von Solarzellen zu steigern, einer davon ist die sogenannte Tandemzelle. Diese bestehen aus zwei übereinanderliegenden Zellen, jeweils eine ist aus Silizium beziehungsweise Perowskit gefertigt, erwartet wird ein Wirkungsgrad von mehr als 30 Prozent. Wirkungsgrade von bis zu 27 Prozent wurden im Labor bereits erreicht. Theoretisch ist es auch möglich, mehr als zwei Zellen übereinanderzulegen, so dass mit dieser Art Zellen Wirkungsgrade von weit über 40 Prozent bis maximal 60 Prozent erzielt werden könnten.8

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