Energie kann nicht verloren gehen. Doch bei fast jeder Energieumwandlung entweicht ein Teil der Energie ungenutzt in die Umwelt, zum Beispiel als Wärme. Wie beim Fahrrad: Wenn man tritt, erwärmen sich durch die Reibung Tretlager und Kette. Diese thermische Energie nützt aber nichts beim Vorankommen.

Dasselbe passiert auch in einem Kraftwerk. So erwärmen sich zum Beispiel Getriebe, Rohrleitungen und elektrische Leitungen und geben Wärme an die umgebende Luft ab. Um Stromleitungen bauen sich außerdem Magnetfelder auf. All diese Energie entweicht ungenutzt.

Das Verhältnis zwischen nutzbarer und aufgewendeter Energie wird „Wirkungsgrad” genannt und mit dem griechischen Buchstaben η (eta) bezeichnet:

η = nutzbare Energie / aufgewendete Energie

Der Wirkungsgrad wird oft in Prozent angegeben, zum Beispiel bedeutet η = 0,1, dass der Wirkungsgrad 10 Prozent beträgt.

Technische Geräte, die z. B. elektrische Energie in mechanische Energie verwandeln, besitzen üblicherweise einen Wirkungsgrad zwischen 60 und 80 Prozent. Der Rest – 20 bis 40 Prozent der Energie, die man in Maschinen investiert – können also nicht genutzt werden. Allerdings versucht man natürlich mit verschiedenen Maßnahmen, den Wirkungsgrad laufend zu verbessern.

Die Animation zeigt als Schema die Energieumwandlungen in einem Kernkraftwerk. Bei jedem Umwandlungsprozess wird ein gewisser Anteil als Wärme an die Umwelt abgegeben.

Wie groß ist wohl der Gesamt-Wirkungsgrad bei realen Energieumwandlungen?

a) η > 100 Prozent

b) η = 100 Prozent

c) η < 100 Prozent

Durch ständige technische Verbesserungen versucht man den Wirkungsgrad von Kraftwerken zu erhöhen. Dazu gehört zum Beispiel die Isolation gegen Wärmestrahlung und -leitung – aber noch mehr: Man verwendet auch Turbinen, deren Schaufel-Form im Computer optimiert wurde. Der Dampf wird in einem ausgeklügelten Kreislauf mehrmals durch die Turbine geschickt, wobei die Turbinenschaufeln jeweils genau auf die Temperatur- und Druckverhältnisse abgestimmt werden. Dadurch möchte man die Energie, die im Dampf steckt, optimal nutzen.

Ein Fahrraddynamo verwandelt Bewegungsenergie in elektrische Energie. Berührt man einen Dynamo aber nach dem Fahren, merkt man, wie sehr er sich erwärmt hat: Diese thermische Energie bleibt ungenutzt.

Hinweis zur Animation: Der Regler kann mit der Maus angefasst werden. Er bleibt dort stehen, wo die Maus die Leiste verlässt.

Eine Maschine mit einem Wirkungsgrad von 100 Prozent und darüber wäre ein „Perpetuum Mobile“ (lat. „ewig beweglich“). Leider sind solche Apparate – die im Prinzip ohne Energiezufuhr ständig mechanische Energie abgeben – Phantasiegebilde: In der Wirklichkeit kann man sie nicht bauen, weil bei jedem Energie-Transport bzw. bei jeder Energieumwandlung thermische Energie abgezweigt wird. Das folgt aus einer der Grundregeln der Physik, dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik (Energieerhaltungssatz).