Energie und Wirkungsgrad

Kein Gerät gibt so viel nutzbare Energie ab, wie es aufnimmt. Ein Netzteil wird warm, ein Motor auch, und selbst eine LED wandelt nur einen Teil des Stroms in Licht. Der Rest ist nicht verschwunden – er ist als Wärme in die Umgebung gegangen. Der Wirkungsgrad sagt dir, wie groß der nutzbare Anteil ist, und damit auch, wie viel Wärme du loswerden musst.

Energie und ihre Formen

Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Sie tritt in vielen Formen auf: elektrisch, mechanisch (Bewegung, Lage), thermisch, chemisch (Batterie, Kraftstoff), als Strahlung (Licht) oder gespeichert im elektrischen und magnetischen Feld. Ihr Formelzeichen ist meist E. Energie ist eine Zustandsgröße, die sich nicht unmittelbar messen lässt: Du bestimmst sie immer über andere Größen – selbst der Stromzähler erfasst Spannung und Strom und rechnet daraus über die Zeit die Energie aus.

Die gesetzliche Einheit ist das Joule (J). Weil Arbeit und Energie gleichwertig sind, gilt 1 J = 1 Ws = 1 Nm – elektrisch in Wattsekunden, mechanisch in Newtonmetern (Kraft mal Weg). In der Elektrotechnik rechnest du meist in Wattstunden und Kilowattstunden, siehe Elektrische Arbeit. Bei Wärme und Nahrung taucht noch die Kilokalorie auf: 1 kcal ≈ 4,19 kJ, und eine Kilowattstunde entspricht rund 860 kcal.

Der wichtigste Grundsatz ist der Energieerhaltungssatz: In einem abgeschlossenen System bleibt die Gesamtenergie konstant. Sie kann nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden. Für jedes Gerät gilt deshalb die Bilanz:

Zugeführte Energie ist gleich abgegebener Nutzenergie plus Verlustenergie. Energie lässt sich also weder erzeugen noch vernichten: Ein Generator wandelt Bewegung in elektrische Energie, ein Akku beim Entladen chemische in elektrische, ein Lötkolben elektrische in Wärme, ein Thermoelement Wärme in elektrische Energie. Die Verluste sind fast immer Wärme – in Leitungen, Widerständen, Transistoren, Magnetkernen oder durch Reibung.

Der Wirkungsgrad

Das Verhältnis von abgegebener zu aufgenommener Leistung heißt Wirkungsgrad und hat das Formelzeichen η (eta). Statt der Leistungen kannst du genauso die Energien über denselben Zeitraum ins Verhältnis setzen:

Er ist eine Zahl zwischen 0 und 1, oft in Prozent angegeben. Ein Wirkungsgrad von 1 (100 %) ist physikalisch unmöglich; jedes reale Gerät hat Verluste. Große Geräte erreichen meist bessere Werte als kleine – ein Kraftwerkstrafo kommt auf über 99 %, ein kleiner Netztrafo eher auf 80 bis 90 %.

Verluste berechnen

Aus Wirkungsgrad und Ausgangsleistung folgt die Verlustleistung, die als Wärme abgeführt werden muss:

Wirkungsgradkette

Durchläuft die Energie mehrere Stufen nacheinander, multiplizieren sich die Einzelwirkungsgrade:

Deshalb lohnt es sich, unnötige Wandlerstufen zu vermeiden. Gerade bei batteriebetriebenen Geräten entscheidet die Kette über die Laufzeit; nachrechnen kannst du sie unter Laufzeit von Akku und USV berechnen.

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