Der Wirkungsgrad einer technischen Anlage oder eines technischen Systems gibt das Verhältnis von Nutzenergie zu zugeführter Energie an. Oder anders gesagt: Er drückt aus, wie viel Energie zum Einsatz kommen muss, um in einem bestimmten Umfang ein bestimmtes Resultat zu erhalten. In der Regel lässt sich auch das Verhältnis von zugeführter Leistung zu erhaltener Leistung als Wirkungsgrad bestimmen. Damit ist der Wirkungsgrad ein zentrales Instrument für die Bewertung und den Vergleich von Geräten, Anlagen und Prozessen.
Die Angabe des Wirkungsgrads findet in Prozent von 0 bis 100 % statt. Angaben von über 100 % kommen unter bestimmten Voraussetzungen zwar vor. Sie sind aber nur möglich, wenn sich innerhalb der Berechnung die Bezugssysteme verändern, wodurch sich eine unvollständige Energiebilanz als Berechnungsgrundlage ergibt.
Das bekannteste Beispiel ist die Brennwert-Heizung, bei welcher der Wirkungsgrad in Bezug auf den Heizwert gilt. Die Kondensationsenergie des Wassergehalts ist zusätzlich nutzbar, entfällt aber in der Betrachtung anfänglich. Tatsächlich ist ein Prozess mit einem Wirkungsgrad von 100 % und darüber durch die Hauptsätze der Thermodynamik ausgeschlossen.
Verschiedene Wirkungsgrade für unterschiedliche Systeme
Der Wirkungsgrad ist wichtig für eine ökonomische Bewertung in Form einer reinen Kosten-Nutzen-Rechnung. Auf der anderen Seite stehen ökologische Bewertungen in Bezug auf Ressourcenverbrauch, Ausstoß schädlicher Emissionen und auch soziale Auswirkungen.
Je nach Bestimmen der Systemgrenzen und Einbeziehen oder Ausschluss bestimmter Kriterien ergeben sich dabei verschiedene Wirkungsgrade. Sie haben unterschiedliche Implikationen für den praktischen Einsatz und konkrete Bedeutung für bestimmte Anwendungsfälle: der feuerungstechnische Wirkungsgrad und der Kesselwirkungsgrad für Wärmeerzeuger, der isentrope Wirkungsgrad für die Beschreibung von Wärmekraftmaschinen, Brutto- und Nettowirkungsgrad bei Kraftwerken und Stromerzeugern mit Kraft-Wärme-Kopplung uvm.
Die Arbeitszahl und der COP von Wärmepumpen und Kälteanlagen stehen für das Verhältnis von aufgenommener und bereitgestellter Energie. Die Leistungszahlen stehen damit in direktem Zusammenhang zum Carnot-Wirkungsgrad, der die Effizienz von Wärmekraftmaschinen beschreibt.
Jeder Wirkungsgrad will richtig interpretiert sein
Ein hoher Wirkungsgrad ist nicht zwangsläufig ein Kennzeichen für die überlegene Lösung. So erreichen KWK-Anlagen , Brennstoffzellen und BHKW sehr hohe Gesamtwirkungsgrade von über 90 %. Diese teilen sich allerdings in elektrischen und thermischen Wirkungsgrad auf. Eine Anlage mit niedrigerem Gesamtwirkungsgrad kann deutlich überlegen sein, weil ihr Anteil an höherwertiger elektrischer Energie größer ausfällt.
Eine Elektroheizung wandelt zugeführte elektrische Energie fast vollständig in Wärme um. Bei dieser Betrachtung ergibt sich ein Wirkungsgrad von 100 %. Der ist allerdings nur gültig, wenn Primärenergieverluste durch die Stromerzeugung nicht mit eingerechnet sind. Die Umwandlungsverluste von Gas oder Öl in Strom und der Transport über das Netz bei der Betrachtung des Gesamtsystems ergeben einen wesentlich schlechteren Gesamtwirkungsgrad als bei direkter Wärmegewinnung aus fossilen Primärenergieträgern. Ein anderes Bild zeigt sich allerdings, wenn der Strom aus erneuerbaren Quellen stammt.
Der Vergleich über Systemgrenzen hinweg ist nur sinnvoll, wenn neben dem Wirkungsgrad andere relevante Kriterien Berücksichtigung finden. So können Gaskraftwerke mit über 60 % sehr gute Wirkungsgrade erreichen. Hochwertige Photovoltaikmodule mit monokristallinen Solarzellen erreichen dagegen selten mehr als 22 %. Aus ökologischer Sicht ist PV dennoch klar überlegen, weil bei der Nutzung erneuerbarer Energiequellen wie Solarenergie keine schädlichen Emissionen anfallen.