Einfach erklärt: Wirkungsgrad einer Dampfmaschine
Dampfmaschinen waren einst das Herz der industriellen Revolution. Heute finden Sie in ihrer ursprünglichen Form kaum noch Einsatz, denn sie haben einen sehr niedrigen Wirkungsgrad. Was das bedeutet und warum das so ist, wollen wir folgend kurz beleuchten!
Was ist der Wirkungsgrad?
Einfach ausgedrückt ist der Wirkungsgrad das Verhältnis der Energie, die ich in das Betreiben einer Maschine investieren muss, zu der Energie die als Leistung nutzbar wird.
Der Energieerhaltungssatz
Ein wichtiges Prinzip aus der Physik gilt es zu verstehen, um den Wirkungsgrad einer Dampfmaschine (und anderen Maschinen) zu begreifen. Der Energieerhaltungssatz besagt nämlich, dass Energie niemals aus dem Nichts geschaffen, bzw. zerstört werden kann. Energie kann immer nur umgewandelt werden. Also, wenn man von „Verlust“ spricht, meint man damit nicht, dass die Energie für immer verloren ist, sondern lediglich, dass sie für den vorgesehenen Zweck in einer Maschine nicht mehr nutzbar zur Verfügung steht (da sie zum Beispiel im Wärmeaustausch an die Umgebung abgegeben wurde).
Das bedeutet, wenn ich ein Stück Kohle verbrenne, wandle ich die Energie in der Kohle zum Großteil in thermische Energie um (Wärme). Ein Teil geht auch als Licht verloren. Würde man die gesamte Energie, die beim Verbrennen der Kohle freigesetzt wird wieder „sammeln“, so erhielte man wieder 1:1 dieselbe Menge an Energie, die die Kohle vor dem Verbrennen hatte.
Jede Art von Widerstand oder Abwärme bedeutet einen Verlust der Energie an die Umgebung. Dieser Anteil kann nicht mehr mechanisch oder anderweitig genutzt werden und gerade Dampfmaschinen sind für diese Formen des Energieverlustes sehr anfällig.
Warum ist der Wirkungsgrad von Dampfmaschinen so schlecht?
In einer Dampfmaschine gibt es viele bewegliche Teile, sehr viel Mechanik eben. Durch die Reibung dieser einzelnen Teile aneinander geht, auch bei bester Schmierung, Energie verloren. Jeder Kolben, jedes Zahnrad, jedes Schwungrad und jede Welle „verliert“ Energie. Zudem kommt es auch noch am Kessel zu einem Energieverlust.
Es benötigt sehr viel Energie, ursprünglich durch das Verbrennen von Kohle gewonnen, um das Wasser im Kessel der Dampfmaschinen verdampfen zu lassen. Über die Außenwand geht sehr viel Wärme – und somit Energie – an die Umgebung verloren.
Letztlich kommt nur ein kleiner Prozentsatz der investierten Energie, in Form von Steinkohle, als wirkliche „Arbeits-Energie“ am Antriebsrad der Maschine an. Die besten und ausgereiftesten Dampfmaschinen erreichten gerade einmal einen Wirkungsgrad von maximal 16%. Also nur 16% der in der Steinkohle gespeicherten Energie konnte durch die Umwandlung in kinetische Energie wirklich als Antrieb, oder zur Verrichtung von mechanischen Arbeiten nutzbar gemacht werden.
Die Tage der Dampfmaschinen waren somit eigentlich schon von Beginn an gezählt, neuere, effizientere Methoden zur Energiewandlung und Arbeitsverrichtung mussten her.
Nach der Dampfmaschine..
Die Anforderungen, nicht nur der Wirtschaft, sondern auch des stetig technologisierteren Alltags machten es notwendig, dass Alternativen zu den Dampfmaschinen entwickelt wurden, die einen besseren Wirkungsgrad erzielen konnten und somit effektiver Arbeit verrichteten.
Die Dampfmaschine wurde schließlich abgelöst von:
- den Verbrennungsmotoren, mit einem Wirkungsgrad bis zu ca. 40%
- den Elektromotoren, mit einer Spitzeneffizienz von bis zu ca. 90%
Aus Interesse und zum Vergleich:
- klassische Atomkraftwerke erreichen eine Effizienz von nur ca. 30%
- Kernfusionsreaktoren sollen eine Effizienz von weit über 100% erreichen
- moderne Photovoltaikanlagen erreichen ungefähr 65% bis max. 80%
Bitte beachten Sie: diese Werte repräsentieren eine vereinfachte Darstellung und sind nicht zu 100% miteinander kompatibel (aufgrund unterschiedlicher Berechnungsmethoden). Atomkraftwerke sind im Grunde lediglich Dampfturbinen, die durch den Zerfall von radioaktiven Isotopen „beheizt“ werden und darüber hinaus kaum „High Tech“. Fusionsreaktoren sind Zukunftsmusik und sollen Energie ähnlich einem Stern produzieren. Ein Versuchsreaktor steht bereits in Frankreich.
Berechnung des Wirkungsgrades
Was erst mal kompliziert klingt, ist bei näherer Betrachtung gar nicht so schwer. Wie eingangs erwähnt, handelt es sich beim Wirkungsgrad um das Verhältnis der eingesetzten Energie zur nutzbaren Energie.
Für die Berechnung des Wirkungsgrades ist es unerheblich, welche Zustandsänderungen stattfinden oder welche Energien dabei in welche umgewandelt werden Es kann zum Beispiel durch elektrische Energie Wasser in die Höhe gepumpt werden (elektrische Energie in potenzielle umwandeln) oder etwas in Bewegung gesetzt werden (in kinetische Energie umwandeln). Es muss immer die eingesetzte Leistung mit der abgegebenen Leistung/der verrichteten Arbeit ins Verhältnis gesetzt werden.
Eine sehr vereinfachte Formel, zum Beispiel für den Wirkungsgrad des Kessels einer Dampfmaschine wäre:
Nennleistung / Feurungsgrad * 100