Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis zwischen nutzbarer abgegebener Energie und zugeführter Energie bei einer bestimmten Umwandlung. Er gibt an, welcher Anteil der eingesetzten Energie nach einem definierten technischen Prozess als gewünschte Energieform verfügbar ist. Mathematisch wird er häufig mit dem griechischen Buchstaben η angegeben: η = Nutzenergie geteilt durch zugeführte Energie. Ein Wirkungsgrad von 0,4 oder 40 Prozent bedeutet, dass von 100 Einheiten zugeführter Energie 40 Einheiten als gewünschte Nutzenergie bereitstehen und 60 Einheiten in anderen Energieformen auftreten, meist als Wärmeverluste.

Der Begriff klingt einfach, wird im Stromsystem aber häufig zu ungenau verwendet. Ein Wirkungsgrad ist keine Eigenschaft, die ohne Kontext vollständig beschrieben wäre. Er braucht eine Systemgrenze: Welche Energie wird als Einsatz gezählt? Welche Energie gilt als Nutzen? Werden Hilfsenergien berücksichtigt? Wird ein einzelnes Gerät betrachtet, eine Anlage, ein Kraftwerk, ein Speicherzyklus oder eine ganze Energiekette vom Brennstoff bis zur Anwendung? Ohne diese Abgrenzung können zwei Zahlen denselben Begriff verwenden und dennoch Verschiedenes messen.

Energie, Leistung und Nutzenergie

Der Wirkungsgrad bezieht sich grundsätzlich auf Energiemengen, nicht auf installierte Leistung. Energie wird im Stromsystem häufig in Kilowattstunden gemessen, Leistung in Kilowatt oder Megawatt. Eine Anlage kann eine hohe Leistung haben und trotzdem einen niedrigen Wirkungsgrad, wenn sie viel zugeführte Energie benötigt, um diese Leistung bereitzustellen. Umgekehrt kann ein sehr effizienter Motor klein dimensioniert sein und nur wenig Leistung liefern.

Die abgegebene Energie ist nur dann die relevante Größe, wenn sie tatsächlich der gewünschte Nutzen ist. Bei einer Glühlampe wurde ein großer Teil der elektrischen Energie in Wärme umgesetzt. Physikalisch ist diese Energie nicht verschwunden, für die Beleuchtung war sie aber kein Nutzen. Der Wirkungsgrad der Lichterzeugung war deshalb niedrig. Bei einer elektrischen Heizung ist dieselbe Wärme dagegen die gewünschte Nutzenergie. Daraus folgt: Wirkungsgrad ist keine Aussage darüber, ob Energie erhalten bleibt. Energie bleibt erhalten. Der Wirkungsgrad beschreibt, wie viel davon in der gewünschten Form ankommt.

Der Begriff Nutzenergie ist dafür zentral. Nutzenergie ist die Energie, die nach Umwandlungsverlusten für den konkreten Zweck verfügbar ist, etwa mechanische Bewegung, Licht, Prozesswärme oder Raumwärme. Je nachdem, welcher Zweck betrachtet wird, ändert sich auch die Bewertung derselben Umwandlung.

Systemgrenzen entscheiden über die Aussage

Ein Wirkungsgrad von 95 Prozent kann sehr gut oder fast bedeutungslos sein, wenn die gewählte Systemgrenze nur einen kleinen Ausschnitt betrachtet. Ein Elektromotor erreicht hohe Wirkungsgrade, aber die Stromerzeugung, die Netzeinspeisung, der Transport und gegebenenfalls die Speicherung des Stroms liegen außerhalb dieser Zahl. Bei einer batterieelektrischen Anwendung kann der Motorwirkungsgrad allein deshalb nicht erklären, wie effizient die gesamte Kette vom Kraftwerk oder der Photovoltaikanlage bis zur Bewegung des Fahrzeugs ist.

In mehrstufigen Energieketten multiplizieren sich die Einzelwirkungsgrade. Wenn Strom per Elektrolyse in Wasserstoff umgewandelt, verdichtet, transportiert, gespeichert und später wieder verstromt wird, gehen in jeder Stufe Anteile verloren. Ein einzelner guter Wert in einer Stufe hebt die Verluste der übrigen Stufen nicht auf. Für die Bewertung von Wasserstoffpfaden, synthetischen Kraftstoffen oder Rückverstromung ist deshalb nicht der beste Einzelwirkungsgrad maßgeblich, sondern der Gesamtwirkungsgrad der Kette.

Diese Kettenbetrachtung erklärt, warum direkte Elektrifizierung in vielen Anwendungen energetisch vorteilhaft ist. Wird Strom direkt in einem Motor oder einer Wärmepumpe genutzt, entfallen mehrere Umwandlungsschritte. Das bedeutet nicht, dass indirekte Pfade über Wasserstoff oder synthetische Energieträger überflüssig sind. In Hochtemperaturprozessen, Langzeitspeicherung, bestimmten industriellen Rohstoffanwendungen oder im internationalen Energietransport können sie eine Funktion haben. Der Wirkungsgrad zeigt aber, welcher energetische Preis mit solchen Umwegen verbunden ist.

Abgrenzung zu Effizienz, Auslastung und Arbeitszahl

Wirkungsgrad und Effizienz werden oft gleichgesetzt. In der Alltagssprache ist das meist unproblematisch, fachlich sind die Begriffe nicht deckungsgleich. Wirkungsgrad ist ein Verhältnis von Energieein- und Energieausgang innerhalb einer Umwandlung. Effizienz kann breiter gemeint sein: geringerer Energieeinsatz, geringere Kosten, geringere Emissionen oder bessere Nutzung vorhandener Infrastruktur. Eine Anlage kann einen hohen Wirkungsgrad haben und wirtschaftlich ineffizient betrieben werden, wenn sie selten gebraucht wird, hohe Fixkosten verursacht oder Flexibilität an der falschen Stelle bindet.

Auch Auslastung ist kein Wirkungsgrad. Die Auslastung beschreibt, wie stark eine Anlage über die Zeit genutzt wird. Ein Gaskraftwerk kann einen hohen technischen Wirkungsgrad haben und trotzdem nur wenige Stunden im Jahr laufen. Dann ist seine Auslastung niedrig, seine Rolle für Versorgungssicherheit oder Spitzenlastdeckung kann dennoch relevant sein. Umgekehrt kann eine ältere Anlage mit schlechterem Wirkungsgrad viele Stunden laufen und große Energiemengen liefern.

Bei Wärmepumpen wird häufig von einer Jahresarbeitszahl oder Leistungszahl gesprochen. Diese Werte können größer als 1 sein, etwa 3 oder 4. Das widerspricht nicht der Definition des Wirkungsgrads, weil eine Wärmepumpe Wärme aus der Umgebung auf ein nutzbares Temperaturniveau hebt. Die abgegebene Wärme besteht aus eingesetztem Strom und zusätzlich erschlossener Umweltwärme. Wird nur der Strom als zugeführte Energie gezählt, erscheint das Verhältnis größer als 100 Prozent. Deshalb ist es präziser, bei Wärmepumpen von Leistungszahl oder Jahresarbeitszahl zu sprechen, nicht vom Wirkungsgrad im engen Sinn.

Bei Kraftwerken kommt eine weitere Unterscheidung hinzu: Manche Angaben beziehen sich auf den Heizwert eines Brennstoffs, andere auf den Brennwert. Der Brennwert enthält zusätzlich die Kondensationswärme des im Abgas enthaltenen Wasserdampfs. Dieselbe Anlage kann dadurch je nach Bezugsgröße unterschiedliche Wirkungsgrade aufweisen. Ohne Angabe der Bezugsgröße sind solche Zahlen nur eingeschränkt vergleichbar.

Bedeutung im Stromsystem

Im Stromsystem macht der Wirkungsgrad sichtbar, wie viel Energie bei Umwandlung, Transport und Speicherung verloren geht. Das betrifft thermische Kraftwerke, Umspannwerke, Leitungen, Batteriespeicher, Elektrolyseure, Motoren, Ladegeräte und viele industrielle Prozesse. Verluste erhöhen den notwendigen Energieeinsatz, vergrößern Erzeugungsbedarf, beeinflussen Betriebskosten und können Netze zusätzlich belasten.

Bei fossilen Kraftwerken war der Wirkungsgrad lange eine zentrale Kennzahl, weil jeder Verlust zusätzlichen Brennstoffverbrauch, höhere Kosten und höhere Emissionen bedeutete. Ein Kohlekraftwerk mit niedrigem Wirkungsgrad benötigt für dieselbe Strommenge mehr Kohle als eine effizientere Anlage. Bei Gaskraftwerken unterscheidet sich der Wirkungsgrad deutlich zwischen einfachen Gasturbinen und kombinierten Gas-und-Dampf-Anlagen. Für die Einsatzreihenfolge am Markt zählt dann nicht nur der technische Wirkungsgrad, sondern auch der Brennstoffpreis, der CO₂-Preis, die Startkosten und die Fähigkeit, flexibel zu fahren.

Bei erneuerbaren Energien verschiebt sich die Bedeutung. Eine Photovoltaikanlage mit höherem Modulwirkungsgrad erzeugt auf derselben Fläche mehr Strom. Der energetische Einsatz eines Brennstoffs steht aber nicht im laufenden Betrieb im Mittelpunkt. Bei Windenergie ist der aerodynamische und elektrische Wirkungsgrad wichtig, doch Standort, Rotorfläche, Nabenhöhe und Windangebot prägen den Ertrag stärker als eine isolierte Prozentzahl. Der Wirkungsgrad bleibt relevant, erklärt aber nicht allein die Wirtschaftlichkeit oder Systemdienlichkeit einer Anlage.

Für Speicher ist der Rundlaufwirkungsgrad besonders wichtig. Er beschreibt, welcher Anteil der eingespeicherten Energie nach Ausspeicherung wieder verfügbar ist. Batteriespeicher erreichen meist hohe Rundlaufwirkungsgrade, Pumpspeicher liegen darunter, Wasserstoffspeicherketten deutlich niedriger. Ein niedriger Rundlaufwirkungsgrad kann trotzdem akzeptabel sein, wenn der Speicher eine Aufgabe erfüllt, die anders kaum bereitgestellt werden kann, etwa saisonale Absicherung oder die Nutzung großer Stromüberschüsse. Der Wirkungsgrad beantwortet dann die Frage nach den Verlusten, nicht automatisch die Frage nach dem Wert der gespeicherten Energie zum späteren Zeitpunkt.

Typische Fehlinterpretationen

Eine häufige Fehlinterpretation besteht darin, Wirkungsgrade verschiedener Technologien ohne gleiche Systemgrenze zu vergleichen. Der Wirkungsgrad eines Elektromotors lässt sich nicht direkt mit dem eines Verbrennungsmotors vergleichen, wenn beim Verbrennungsmotor der Kraftstoff im Tank betrachtet wird, beim Elektromotor aber die Strombereitstellung ausgeblendet bleibt. Umgekehrt verzerrt es den Vergleich, wenn bei Strom pauschal ein alter fossiler Kraftwerksmix angenommen wird, obwohl zusätzliche Strommengen zunehmend aus erneuerbaren Anlagen kommen können. Die gewählte Grenze entscheidet darüber, welche Verluste sichtbar werden und welche aus der Rechnung verschwinden.

Eine zweite Verkürzung betrifft die Gleichsetzung von hohem Wirkungsgrad und niedrigen Systemkosten. Energetische Verluste sind Kostenbestandteile, aber nicht die einzigen. Netzanschlüsse, Reservekapazitäten, Speicherbedarf, Steuerbarkeit, Flächenverfügbarkeit, Rohstoffe, Genehmigungen und Betriebsrisiken können stärker ins Gewicht fallen als ein Unterschied von wenigen Prozentpunkten beim Wirkungsgrad. Eine Technologie mit geringerem Wirkungsgrad kann systemisch sinnvoll sein, wenn sie genau dann verfügbar ist, wenn andere Optionen fehlen.

Eine dritte Fehlinterpretation entsteht bei Abwärme. Was in einer einzelnen Anlage als Verlust erscheint, kann in Kraft-Wärme-Kopplung oder industriellen Wärmenetzen teilweise genutzt werden. Dann ändert sich die Systemgrenze: Aus einem reinen Stromwirkungsgrad wird ein Gesamtwirkungsgrad für Strom und nutzbare Wärme. Diese Zahl ist nur aussagekräftig, wenn die Wärme tatsächlich zeitlich, räumlich und auf passendem Temperaturniveau gebraucht wird. Nicht jede theoretisch verfügbare Abwärme ist praktisch nutzbar.

Der Wirkungsgrad ist damit eine präzise, aber begrenzte Kennzahl. Er misst die Qualität einer Energieumwandlung innerhalb einer festgelegten Grenze. Für die Bewertung des Stromsystems muss er mit Lastprofilen, Verfügbarkeit, Flexibilität, Kosten, Emissionen und Zuständigkeiten zusammengedacht werden. Seine Stärke liegt darin, Umwandlungsverluste sichtbar zu machen. Seine Grenze liegt dort, wo aus einer Prozentzahl eine vollständige Bewertung von Technologie, Marktrolle oder Versorgungssicherheit abgeleitet wird.