⚡ Wirkungsgrad-Visualisierung

Dreistufiger Energieumwandlungsprozess am Beispiel Wasserkraftwerk

💡 Was ist der Wirkungsgrad?

Der Wirkungsgrad η (griech. Eta) gibt an, welcher Anteil der zugeführten Energie in nutzbare Energie umgewandelt wird. Der Rest geht als Verlustenergie verloren (meist Wärme, Reibung, Schall).

η = (Enutz / Ezugeführt) × 100%

Bei mehrstufigen Prozessen: Der Gesamtwirkungsgrad ist das Produkt der Einzelwirkungsgrade:

ηgesamt = η1 × η2 × η3

Beispiel Wasserkraftwerk: Lageenergie (Wasser) → Turbine (mechanisch) → Generator (elektrisch)

📚 Didaktik-Modus für Lehrkräfte ▼

Lernziele (Sek I/II):

  • Verstehen, dass Energie nicht verloren geht, sondern umgewandelt wird
  • Erkennen, dass jede Umwandlungsstufe Verluste verursacht
  • Berechnen des Gesamtwirkungsgrads durch Multiplikation
  • Bewerten realer technischer Systeme anhand von Wirkungsgraden

Typische Fehlvorstellungen:

  • ❌ "η kann über 100% liegen" → Energie kann nicht aus dem Nichts entstehen
  • ❌ "Verlustenergie ist weg" → Sie wird zu Wärme, Schall etc., aber nicht vernichtet
  • ❌ "Gesamtwirkungsgrad = Summe der Teile" → Richtig ist: Produkt!

Unterrichtsideen:

  • Schüler experimentieren mit Zufallswerten und beobachten den Gesamtwirkungsgrad
  • Vergleich verschiedener Kraftwerkstypen (Wasser, Wind, Kohle)
  • Diskussion: Wo lohnt sich technische Optimierung am meisten?

Stufe 1: Turbine (Lageenergie → Mechanisch) ? Wirkungsgrad Turbine
Die Turbine wandelt die Lageenergie des fallenden Wassers in Rotationsenergie um.

Typische Verluste: Reibung, Verwirbelung, Schall

Reale Werte: 80-95%

85.0%

Stufe 2: Generator (Mechanisch → Elektrisch) ? Wirkungsgrad Generator
Der Generator wandelt die mechanische Rotationsenergie in elektrische Energie um.

Typische Verluste: Ohm'sche Wärme, Wirbelströme, Lagerreibung

Reale Werte: 90-98%

92.0%

Stufe 3: Übertragung (Elektrisch → Netz) ? Wirkungsgrad Übertragung
Die elektrische Energie wird über Leitungen ins Stromnetz eingespeist.

Typische Verluste: Leitungswiderstand, Transformatoren

Reale Werte: 93-98%

95.0%

📊 Sankey-Diagramm: Energiefluss

⚡ Eingangsenergie

1000
kJ

✅ Nutzenergie

743.9
kJ

❌ Verlustenergie

256.1
kJ

🎯 Gesamtwirkungsgrad

74.4%
ηgesamt = η₁ × η₂ × η₃

🎨 Legende

Nutzenergie (Output)
Verluste Stufe 1 (Turbine)
Verluste Stufe 2 (Generator)
Verluste Stufe 3 (Übertragung)