Elektrische Energieerzeugung und Wirkungsgrad einfach erklärt

Stell dir vor, du steckst dein Smartphone in die Steckdose. Der Akku füllt sich, aber woher kommt diese Energie eigentlich genau?

Strom wächst nicht auf Bäumen – er muss in großen Kraftwerken aus anderen Energieformen umgewandelt werden. In diesem Artikel zur elektrischen Energieerzeugung und zum Wirkungsgrad schauen wir uns an, mit welchen Tricks verschiedene Kraftwerke arbeiten. Außerdem klären wir ein großes Problem der Physik: Warum wird bei jeder Energieumwandlung ein Teil der Energie scheinbar „verschwendet“ und wie wir diese Effizienz mit dem sogenannten Wirkungsgrad berechnen können!

Vorwissen

• Elektrische Energie ($E$): Die Energie, die ein elektrisches Gerät verbraucht.

  Formel: $E = U \cdot I \cdot t$

  Beispiel: Ein Motor läuft $5 \text{ s}$ lang bei $4 \text{ V}$ und $1 \text{ A}$.

• Potenzielle Energie ($E_{pot}$): Die Energie, die ein Körper aufgrund seiner Höhe hat (Lageenergie).

  Formel: $E_{pot} = m \cdot g \cdot h$

  Beispiel: Ein $2 \text{ kg}$ schweres Buch wird $1 \text{ m}$ hochgehoben.

• Der Generator: Ein Bauteil, das Bewegungsenergie (mechanische Energie) in elektrische Energie umwandelt.

  Beispiel: Der Dynamo an einem Fahrrad erzeugt Strom, wenn sich das Rad dreht.

Funktionsweise von Kraftwerken

Um Strom für unsere Haushalte zu erzeugen, nutzen wir verschiedene Energiequellen. Die meisten Kraftwerke funktionieren nach dem gleichen Grundprinzip: Sie erzeugen Bewegung (mechanische Energie), um einen riesigen Generator anzutreiben.

• Windkraftwerke: Der Wind drückt gegen die Rotorblätter und bringt sie zum Drehen. Diese Drehung wird über ein Getriebe an einen Generator weitergegeben.

• Wasserkraftwerke: Fließendes oder fallendes Wasser treibt eine Wasserturbine an, die wiederum an einen Generator gekoppelt ist. (Pumpspeicherkraftwerke können sogar überschüssigen Strom nutzen, um Wasser wieder bergauf zu pumpen und die Energie so zu speichern).

• Wärmekraftwerke: Hier werden Brennstoffe (wie Kohle oder Gas) verbrannt oder Kernenergie genutzt, um Wasser stark zu erhitzen. Es entsteht Wasserdampf unter enormem Druck. Dieser Dampf schießt durch eine Dampfturbine, bringt sie zum Rotieren und treibt so den Generator an.

Die Ausnahme: Photovoltaikanlagen (Solarzellen)

Photovoltaikanlagen tanzen aus der Reihe: Sie benötigen keinen Generator und haben keine beweglichen Teile. Solarzellen wandeln Lichtenergie direkt in elektrische Energie um.

Dabei gibt es eine Besonderheit: Solarzellen erzeugen Gleichstrom (DC). Unser Stromnetz und unsere Steckdosen zu Hause funktionieren aber mit Wechselstrom (AC). Deshalb muss der Strom aus der Solarzelle zuerst durch ein Gerät fließen, das sich Wechselrichter nennt. Dieser wandelt den Gleichstrom in Wechselstrom um, bevor er in das Stromnetz eingespeist wird.

Aufgabentyp 1: Berechnung des Wirkungsgrads

Das Energieerhaltungsgesetz besagt, dass Energie niemals erzeugt oder vernichtet werden kann. Sie wird nur von einer Form in eine andere umgewandelt. Wenn wir eine Maschine (wie einen Elektromotor) betreiben, stecken wir Energie hinein. Das ist die zugeführte Energie.

Die Maschine erledigt ihre Aufgabe (z. B. etwas anheben). Die Energie, die genau für diesen gewünschten Zweck genutzt wird, nennen wir nutzbare Energie.

In der Realität ist die nutzbare Energie aber immer kleiner als die zugeführte Energie. Warum? Weil bewegliche Teile aneinander reiben. Durch diese Reibung entsteht thermische Energie (Wärme), die an die Umgebung abgegeben wird. Diese Energie ist nicht verschwunden, aber sie ist für unseren Zweck „verloren“.

Um zu bewerten, wie effizient eine Maschine arbeitet, berechnen wir den Wirkungsgrad (Symbol: $\eta$, sprich: „Eta“). Er ist das Verhältnis von Nutzen zu Aufwand:

$\eta = \frac{\textcolor{#9570FF}{E_{\text{nutzbar}}}}{\textcolor{#08BFFF}{E_{\text{zugeführt}}}}$

Da immer ein Teil der Energie als Wärme verloren geht, ist der Wirkungsgrad in der Praxis immer kleiner als 1 (oder kleiner als $100\%$).

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Schritt 1: Gegebene Werte sortieren Notiere alle Werte für den elektrischen Teil (Spannung $U$, Stromstärke $I$, Zeit $t$) und den mechanischen Teil (Masse $m$, Höhe $h$).
2. Schritt 2: Zugeführte Energie berechnen Berechne die Energie, die in die Maschine hineinfließt. Bei elektrischen Geräten nutzt du meistens: $\textcolor{#08BFFF}{E_{\text{zugeführt}}} = U \cdot I \cdot t$.
3. Schritt 3: Nutzbare Energie berechnen Berechne die Energie, die für die eigentliche Aufgabe genutzt wurde. Beim Anheben von Dingen ist das die potenzielle Energie: $\textcolor{#9570FF}{E_{\text{nutzbar}}} = m \cdot g \cdot h$.
4. Schritt 4: Wirkungsgrad berechnen Teile die nutzbare Energie durch die zugeführte Energie: $\eta = \frac{\textcolor{#9570FF}{E_{\text{nutzbar}}}}{\textcolor{#08BFFF}{E_{\text{zugeführt}}}}$. Multipliziere das Ergebnis mit $100$, um es in Prozent anzugeben.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Kraftwerke mit Generator: Wind-, Wasser- und Wärmekraftwerke nutzen Bewegung, um einen Generator anzutreiben, der Strom erzeugt.
• Photovoltaik: Solarzellen kommen ohne Generator aus. Sie wandeln Licht direkt in Gleichstrom um, der durch einen Wechselrichter in Wechselstrom verwandelt wird.
• Wirkungsgrad ($\eta$): Beschreibt das Verhältnis von nutzbarer Energie zu zugeführter Energie.
• Energieverlust: Der Wirkungsgrad ist immer kleiner als 1 (oder $100\%$), da durch Reibung immer ein Teil der Energie als Wärme an die Umgebung abgegeben wird.