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grundlagen:effizienz_und_wirkungsgrad_sind_nicht_identisch

Effizienz und Wirkungsgrad sind nicht identisch

Es ist ein weit verbreiteter Irrtum, dass „Effizienz“ gleichbedeutend mit Wirkungsgrad ist. Das ist nur richtig, wenn beide Größen auf der rechten Seite der Gleichung

Effizienz = Nutzen / Aufwand

von der Dimension „Energie“ oder „Leistung“ sind. Der bereitgestellte Nutzen hat aber ganz oft nicht die Dimension Energie. Es kann sich z.B. um eine Fahrleistung handeln (Einheit „miles“). Der Aufwand ist z.B. Treibstoff (Einheit „gallons“) und die Effizienz dieser Dienstleistung ist

Fahrleistung/Treibstoffaufwand

gemessen in „miles/gallon“. In Europa ist der Kehrwert dieser Größe als

Aufwandskoeffizient = 1/Effizienz

eingeführt; also: spezifischer Spritverbrauch in Liter/(100 km).

  • Solche die Effizienz kennzeichnenden Größen sind keine Wirkungsgrade - sie sind nicht dimensionslos.
  • Man kann auch nicht stattdessen einen Wirkungsgrad einführen, denn der Nutzen hat in den meisten Fällen nicht die Dimension einer Energie.
  • Und es gibt auch keine „aus physikalischen Gründen erforderliche Mindestenergiemenge“ um den Nutzen zu erreichen; die gegenteilige Annahme ist ein ebenfalls weit verbreiteter Irrtum - die „Mindestenergiemenge“ ist in den meisten Fällen nämlich Null (oder ein extrem kleiner Wert größer Null).


Ist das eine kleinkarierte akademische Frage? Nein, ganz und gar nicht.

Während sich z.B. die Wirkungsgrade von Heizkesseln nicht über 100% steigern lassen (Energieerhaltungssatz) und heute bereits Werte um 90% erreicht haben, lässt sich die Effizienz der Wärmeanwendung (z.B. beheizte Wohnfläche/Wärmeenergie) praktisch beliebig verbessern, nämlich durch besseren Wärmeschutz. Wäre allein der Wirkungsgrad wichtig, so gäbe es kaum noch ein Energiesparpotential beim Heizen. Ausgehend vom erweiterten Verständnis wird klar, dass der erforderliche „Wärmebedarf“ durch bessere Dämmung auf Werte nahe Null gesenkt werden kann; es gibt also ein sehr großes Effizienzpotential. Dass das auch in der Praxis funktioniert, zeigen die zahlreichen gebauten und bewohnten Passivhäuser.

Aber auch bei vielen anderen Energieanwendungen ist es ähnlich: Gerade am Ende der Versorgungskette, bei der Endnutzung der Energie, liegen die bedeutenden Potentiale für bessere Effizienz. Beispiele:

  • Wärmespeicher können erheblich besser gedämmt werden und dadurch kann der Energieverbrauch zur Temperaturhaltung stark verringert werden (Thermoskannen-Prinzip)
  • Das Gleiche gilt für wärmeführende Leitungen (insbesondere Warmwasser- und Zirkulationsleitungen).
  • Wärme kann aus dem warmen Abflusswasser nach dem Baden und Duschen zurückgewonnen werden.
  • Dämmung, die gegen Wärmeverluste schützt, ist ebenso wirksam bei Kühldienstleistungen (vgl. Abb 1).
  • Auch bei industriellen Prozessen kann durch Wärmerückgewinnung Energie erheblich effizienter genutzt werden. Ein Beispiel ist der „Gegenlaufofen“: fertig gebrannte Ware (heiß!) läuft auf einer Fördereinrichtung den noch kalten ungebrannten Teilen entgegen.
  • Auch die Verbesserung der Materialeffizienz und das Recycling von energieintensiv hergestellten Materialien reduzieren den Energieverbrauch.


Abb 1: Die Abbildung zeigt, dass bessere Effizienz mehr umfasst als nur einen besseren Wirkungsgrad.
Der Wirkungsgrad des Verdichters beim Hocheffizienzkühlschrank (rechts) ist zwar erhöht - aber
die wesentliche Effizienzverbesserung erfolgt durch die bessere Wärmedämmung des Gehäuses.
Dadurch wird das Verhältnis Kühlvolumen/„Kälteenergie“ ganz entscheidend verbessert. „Kälteenergie“
gibt es streng genommen nicht: es handelt sich um die aktiv zu entziehende Wärmemenge.


Eine konsequente Analyse aller Dienstleistungen, die heute unter Energieaufwand erbracht werden, zeigt: Aus physikalischer Sicht handelt es sich dabei überwiegend um die Aufrechterhaltung von Nichtgleichgewichtszuständen. Diese können aber regelmäßig auch durch intelligente Prozessführung in nahezu stabile Gleichgewichtszustände überführt werden. Dazu ist dann nur extrem wenig Energie erforderlich. Beispiele:

  • Warme Wohnung: Nichtgleichgewichtszustand „höhere Innentemperatur“ gegenüber „kalter Umgebung“. Intelligente Prozessführung: Wärmeschutz in allen Spielarten. Praxisumsetzung: Passivhaus.
  • Klimatisierte Wohnung: Nichtgleichgewichtszustand „kühlere Innentemperatur/entfeuchtet“ gegenüber „heißer Umgebung/schwül“. Intelligente Prozessführung: Wärmeschutz, Wärme- und Feuchterückgewinnung. Praxisumsetzung: Passivhaus mit Kompaktgerät.
  • Kühlkette: Nichtgleichgewichtszustand „kühlere Kühlraumtemperatur“ gegenüber „wärmerer Umgebung/schwül“. Intelligente Prozessführung: Wärmeschutz. Praxisumsetzung: vakuumgedämmte Kühlräume.
  • Transport (vgl. Abb 2): Nichtgleichgewichtszustand „nichtreibungsfreie Bewegung“. Intelligente Prozessführung: Reibungsreduktion, Bremsenergierückgewinnung. Praxisumsetzung: Hypercar, 1,5-Liter-Auto.


Transporteffizienz: Es gibt Fahrzeuge, die für die gleiche Dienstleistung (1 Person 100 km weit transportieren) benötigen:
12 Liter/100 Pers.km (ein ziemlich alter PKW)
7 Liter/100 Pers.km (ein heutiger durchschn. neuer PKW)
3 Liter/100 Pers.km (ein heutiger recht effizienter PKW)
1 Liter/100 Pers.km (der Prototyp vom 1-Liter-Auto oder „Hypercar“)
0 Liter/100 Pers.km (ein reibungsfreies Fahrzeug auf einer Brachistochronenbahn)
Abb 2: Ein verblüffendes Experiment; der Körper, der die weitere Strecke durch die Mulde nimmt, ist schneller am Ziel. Energie wird dafür nicht verbraucht, solange der Prozess reversibel verläuft.


Brachistochronenbahn?
Das wusste schon Galilei: Schnellstmöglicher Weg von A nach B ohne Energieverbrauch im homogenen Schwerefeld.
Das wollen Sie genauer wissen? Laden Sie sich den Artikel "Wissenschaft, Kultur und Lebensart rund um das Passivhaus" herunter, dort wird nicht nur die Brachistochrone erklärt, sondern auch, was es mit Exergie und Anergie auf sich hat und warum sich
im Alltag Galilei noch immer nicht vollständig gegenüber Aristoteles durchgesetzt hat.


Fazit

Für die meisten Dienstleistungen braucht man gar keine Energie; oder kommt jedenfalls mit beliebig wenig davon aus - wenn nur Verluste konsequent vermieden werden. Das liegt daran, dass die Dienstleistungen nicht die Dimension Energie haben, sondern im Aufrechterhalten eines Zustandes bestehen.

Die Verbesserung der Energieeffizienz kann daher Energie, die bisher benötigt wird, nahezu vollständig ersetzen. „Energieeffizienz“ ist fast gleichwertig mit einer neuen Energiequelle - aber nur fast, denn Energieeffizienz ist viel besser. Energieeffizienz ist sauber, unerschöpflich und während der Nutzung kostenlos. Energieeffizienz kann überall genutzt werden. Und: Energieeffizienz können wir in Europa selbst „herstellen“, sie ist in intelligente Produkte von Anfang an integriert - zum Vorteil der Nutzer (weniger Betriebskosten und besserer Komfort), zum Vorteil der Hersteller (höhere Qualität und daher höhere Wertschöpfung), zum Vorteil der Volkswirtschaft (Inlandbeschäftigung) und zum Vorteil der Umwelt (Klimaschutz).

Es gibt nur Gewinner - auch die Energieversorger gehören dazu, wenn sie einen angemessenen Zeithorizont einnehmen: Z.B. lässt sich die Versorgung mit Erdöl viel länger und mit viel geringeren Risiken aufrecht erhalten, wenn die Effizienz der Nutzung entscheidend verbessert wird.

An welcher Stelle die Energieeffizienz entscheidend verbessert werden kann, das zeigt eine genaue Analyse der Energiebilanz.

Siehe auch

grundlagen/effizienz_und_wirkungsgrad_sind_nicht_identisch.txt · Zuletzt geändert: 2018/11/01 10:25 von cblagojevic