Effektivitet

Da alle processer og maskiner i virkelighedens verden er ledsaget af tab (fx friktion), vil effektiviteten altid være mindre end 1 (eller 100%). Det gælder hver gang, man omdanner én energiform til en anden. Den eneste undtagelse er, hvis ens formål er at lave varme til fx opvarmning. Alle energiformer kan i princippet omdannes til termisk energi (indre energi) med 100% effektivitet (da friktionstabene i sig selv er en omdannelse af energi til termisk energi). 

Hvis man ser bort fra tab, kan nogle former for energikonvertering teoretisk set ske med 100% effektivitet. Det gælder fx for omdannelsen af elektrisk energi til mekanisk energi. Men det gælder ikke for processer, der involverer varmeoverførsler.

Selv i et tabsfrit, idealiseret system vil effektiviteten være mindre end 1 for et system der involverer varmeoverførsel mellem to forskellige temperaturer. Det gælder i særdeleshed alle kredsprocesser der involverer afbrænding af et brændsel, fx på et kraftværk eller i en bilmotor. Hvis man kalder den høje temperatur (målt i kelvin) for T_H og den lave for T_C, gælder det at effektiviteten af processen højst kan være 1–T_C/T_H. Dette kaldes for Carnot-effektiviteten, opkaldt efter den franske ingeniør Sadi Carnot.

For en dampturbine til fremstilling af elektricitet kan de to temperaturer fx være 600 °C (873 K) og 25 °C (298 K). Turbinens effektivitet kan derfor højst være 1–298/673 = 66%. I praksis kan man dog typisk kun opnå en effektivitet på 35-40% for en enkelt dampturbine. Til sammenligning kan en elektrisk generator der omsætter mekanisk energi (fx fra en vindmølle) til elektrisk energi have en effektivitet på over 98%.

For at sammenligne effektiviteten af to forskellige teknologier er det vigtigt at medtage alle tab i processen fra energien produceres, konverteres og til den forbruges. Hvis man fx vil gemme vindmøllestrøm i et batteri, mister man energi (i form af varme) ved opladningen af batteriet og igen ved afladningen. Effektiviteten ved den samlede proces er produktet af de to del-effektiviteter. Ofte afhænger effektiviteten af processens driftsbetingelser, fx er det mere ineffektivt at oplade et batteri hurtigt.

Selv om en elmotor er meget mere effektiv end en benzinmotor, er det derfor ikke på forhånd givet at en elbil er mere effektiv end en benzinbil, hvis elektriciteten i sidste ende kommer fra afbrænding af fossile brændsler i et kraftværk.

Effektivitet af varmepumper

Som nævnt ovenfor er effektiviteten af alle virkelige processer højst 1. Der er imidlertid en undtagelse: Hvis man ikke bruger sin maskine til at udføre et arbejde med, men er interesseret i at flytte termisk energi fra et koldt område til et varmt. I dette tilfælde er effektiviteten defineret som forholdet mellem den varme, der flyttes, og det arbejde man er nødt til at tilføre maskinen; denne effektivitet kan godt være større end 1.

For et idealiseret køleskab uden tab er effektiviteten (som i denne sammenhæng ofte kaldes COP, coefficient of performance) COP = T_C/(T_H-T_C). Virker køleskabet fx mellem 5 °C i kabinettet og 25 °C i omgivelserne, er den maksimalt opnåelige COP 14. I modsætning til kraftproducerende maskiner bliver køleskabe mere effektive, jo mindre temperaturforskellen er.

Virkelige køleskabe bliver nødt til at køle til en lavere temperatur end 5 °C for at kunne holde denne temperatur i kabinettet, og også afgive spildvarmen på bagsiden af kabinettet ved en højere temperatur end rumtemperatur. Typiske værdier er -5 °C og 32 °C med en tilhørende COP på 7,2. De mest energieffektive køleskabe på markedet kan opnå 50-60% af denne COP. 

For varmepumper, hvor det ikke er den varme man fjerner fra den kolde side (som i dette tilfælde typisk er en vandfyldt slange gravet ned i jorden) som man er interesseret i, men den varme der afsættes på den varme side af maskinen (dvs. i huset), er COP = T_H/(T_H-T_C). Den samme maskine har derfor en COP der er 1 højere, hvis man bruger den som varmepumpe, end hvis man bruger den som kølemaskine. Det skyldes at man også får glæde af det arbejde, der tilføres maskinen og som omdannes til varme.

Andre definitioner

Effektiviteten af en motor der bruger brændstof, er som for ethvert andet system defineret som forholdet mellem det nyttige arbejde motoren leverer, og energiindholdet i det brændstof man tilfører den. Der er imidlertid lidt forskellige definitioner af dette energiindhold hvilket kan føre til misforståelser.

Den mest meningsfulde definition er den såkaldte øvre brændværdi (higher heating value, HHV). Den er defineret som den mængde energi der frigives ved at afbrænde en vis mængde brændsel, når både reaktanterne (dvs. brændstof og ilt) og slutprodukterne (dvs. hovedsagelig vand) har en temperatur på 25 °C og et tryk på 1 atmosfære. Denne energi inkluderer den latente varme af den vanddamp som forbrændingen har skabt (da vandet jo vil være på væskeform ved den angivne temperatur og det angivne tryk). HHV-værdien er direkte relateret til ændringen i den såkaldte entalpi ved reaktionen.

Af historiske grunde bruger man også en anden definition, den nedre brændværdi (lower heating value, LHV). Den bliver defineret som den frigivne energi når reaktionsprodukterne har sluttemperaturen 150 °C. LHV indbefatter derfor ikke vanddampens latente varme. Definitionen afspejler at det i ældre kraftværker var nødvendigt at undgå kondensering af vandet, og man derfor ikke kunne udnytte varme under ca. 150 °C.

Da LHV er mindre end HHV, bliver effektiviteten højere hvis man regner den i forhold til LHV. Derfor bruger fx brændselscellefirmaer ofte denne definition, selv om den termodynamisk set er misvisende. Det er i øvrigt også baggrunden for at fabrikanten af et kondenserende naturgasfyr kan opgive en effektivitet på over 100%. Det er kun fordi man regner i forhold til LHV; man kan naturligvis ikke få mere energi ud af brændslet end det indeholder.

I dette leksikon opgiver vi kun effektiviteter i forhold til den øvre brændværdi.