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Was versteht man unter dem Begriff Wirkungsgrad? (in Bezug auf Heizgeräte)

Wirkungsgrad gibt das Verhältnis von eingesetzter und nutzbarer Energie an. Er ist damit ein Gradmesser, wie effizient ein Energieträger durch eine Maschine oder eine Heizung genutzt wird. Generell wandelt jedes Gerät und jede Heizanlage 100 Prozent eines Energieträger um, aber in der Regel kann nur ein kleiner Teil davon genutzt werden.

Wirkungsgrade von über 100 Prozent

Der Wirkungsgrad ist eine dimensionslose Größe. Er hat also keine Einheit. Dies ergibt sich aus der Tatsache, dass er sich aus der Division von Nutzenergie durch zugeführte Energie ergibt. Da eine Anlage nur Energie verlieren kann, aber keine bei der Nutzung entsteht, ist der Wirkungsgrad immer kleiner als eins beziehungsweise 100 Prozent. Bei Heizungen scheint dieses physikalische Gesetz aufgehoben zu sein. Brennwertkessel haben oft einen Wirkungsgrad von über 100 Prozent und bei Wärmepumpen sind Angaben von 300 bis 800 Prozent zu finden.

Diese auf den ersten Blick absurden Angaben beruhen auf besondere Definitionen. Wenn in diesem Zusammenhang von Wirkungsgrad gesprochen wird, geht es nicht um die eingesetzte Energie und die Nutzenergie. Dies hat zum Teil historische Gründe.

Berechnungen bei Heizkesseln

Jeder Brennstoff gibt beim Verbrennen eine bestimmte Menge Energie frei, die sich in einem Labor messen lässt. Konkret verbrennt man den getrockneten Stoff unter Zugabe von Sauerstoff in einem sogenannten Kalorimeter unter Druck. Es entsteht dabei gasförmiges Kohlendioxid und flüssiges Wasser. Die bei diesem Prozess gewonnene Wärme ist der Brennwert des Stoffes.

Die normale Verbrennung in einem Ofen oder in einer Heizung findet nicht unter Druck statt. Das entstehende Wasser liegt daher in Form von Dampf vor. Da Verdampfen Energie benötigt, ist ein Teil der entstandenen Wärme nicht für das Heizen nutzbar. Der Heizwert des Stoffes ist also geringer als der Brennwert.

Aus diesem Grund erschien es logisch, den Wirkungsgrad auf Basis des Heizwertes zu berechnen, da bei jedem Brennstoff ein Teil der entstanden Wärme durch das Verdampfen vom Wasser verloren geht. Wenn eine Heizung einen Wirkungsgrad von 90 Prozent hat, bedeutet dies, das ein Zehntel des Heizwertes ungenutzt durch den Kamin entweicht. Die Verluste durch das Verdampfen bleiben unberücksichtigt.

Brennwertkessel kondensieren den entstehenden Dampf und nutzen also auch die Energie, die sonst durch den Schornstein als Dampf entweicht. Sie nutzen, wie der Namen sagt den Brennwert, nicht den Heizwert des Stoffes. Da der Wirkungsgrad aber auf Basis des Heizwertes errechnet wird, kommt es zu den verwirrenden Angaben von zum Teil über 100 Prozent:

Beispiel: Ein Kilogramm Heizöl hat einen Brennwert von 42,3 Megajoule und einen Heizwert von 40,0 Megajoule. Wenn die Heizung 98 Prozent des Brennwertes nutzt, dann gibt sie 41,454 Megajoule Wärme ab. Im Verhältnis zum eingesetzten Heizwert sind dies fast 104 Prozent.

Wirkungsgrad von Wärmepumpen

Bei Wärmepumpen geht es genau genommen um den Leistungsgrad. Dieser ist das Verhältnis der Energie, die für das Komprimieren des Kältemittels aufgewendet wird und der Energie, welche in Form von Wärme abgegeben wird. Die Energie, welche die Pumpe der Umwelt entzieht, fließt in die Rechnung nicht ein. Auch berücksichtigt die Rechnung nicht die Energie, welche nötig ist, die Wärme von draußen zum Verdampfer zu transportieren. In der Regel sorgen Pumpen, die Salzlösungen bewegen oder Ventilatoren, die Luft ansaugen für die Energiezufuhr aus dem Boden, dem Grundwasser oder der Außenluft. Der Stromverbraucher dieser Einheiten bleibt unberücksichtigt.

Der Leistungsgrad gibt ohnehin kaum einen Anhaltspunkt für die Effizienz. Im Winter liegt dieser bei einer Luft/Wasser-Wärmepumpe immer in einem schlechteren Bereich, als bei einer Wasser/Wasser-Wärmepumpe. Dies liegt an dem kalten Medium Luft, dem die Pumpe nur wenig Energie entziehen kann. Im Sommer sieht die Bilanz anders aus, da nun die Luft wärmer ist als das Grundwasser.

Ob die wirtschaftliche und ökologische Bilanz günstig ist, hängt bei elektrischen Wärmepumpen vom Strompreis und der Art der Stromerzeugung ab.

Definition bei Solaranlagen

Es ist kaum möglich den Ertrag von Solarthermie und Photovoltaik über den Wirkungsgrad zu vergleichen, denn die Berechnungen unterscheiden sich erheblich. Hinzukommt, dass die Anlagen bei diffusen Lichtverhältnissen unterschiedlich reagieren.

Wenn bei thermischen Sonnenkollektoren vom Wirkungsgrad die Rede ist, sprechen die Hersteller vom Quotienten aus gewonnener Wärmeenergie und der Energie, welche die, auf den Kollektor treffende Sonnenstrahlen haben. Moderne Anlagen haben einen Wirkungsgrad zwischen 60 und 75 %. Allerdings fließen die Energie, welche die Umwälzpumpe benötigt nicht in diese Rechnung ein.

Bei Photovoltaik ist der Wirkungsgrad das Verhältnis zwischen erzeugter elektrischer Energie und der eingestrahlten Lichtleistung. Die Wärmeenergie der Sonne bleibt unberücksichtigt. Es handelt sich dabei entweder um eine „Momentaufnahme“ oder um einen im Labor gemessenen Wert. Je nach Methode bezieht sich die Angabe auf einzelne Zellen, Module oder einen komplette Anlage mit Wechselrichter und Akku. Die in der Theorie ermittelten Werte sind Anhaltspunkte, können in der Praxis aber anders aussehen. Temperaturunterschiede und Verschmutzungen verändern den Wirkungsgrad. Dieser betragt bei den Modulen im Idealfall 80 Prozent, da Wechselrichter bis zu 8 Prozent der Energie verlieren, ist der Wirkungsgrad der Anlage etwas schlechter.

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