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Carnot-Faktor/ Wirkungsgrad

Carnot- Wirkungsgrad in Abhängigkeit von der oberen und unteren Temperatur. Quelle: RP Energielexikon.

Der Carnot-Wirkungsgrad (oder Carnot-Faktor), benannt nach dem französischen Physiker Nicolas Léonard Sadi Carnot, ist zunächst der theoretisch mögliche Wirkungsgrad für die Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie in einer Wärmekraftmaschine, die auf der Grundlage des sogenannten Carnot-Kreisprozesses (Carnot-Zyklus) arbeitet:

  • isotherme Kompression des Arbeitsmediums, wobei Abwärme auf niedrigem Temperaturniveau an ein Kühlmedium abgegeben wird
  • weitere Kompression, nun aber ohne Wärmeaustausch (adiabatisch)
  • isotherme Expansion, wobei Wärme aus einer Hochtemperatur-Wärmequelle aufgenommen und Arbeit geleistet wird
  • weitere adiabatische Expansion (ohne Wärmeaustausch) mit Leisten von Arbeit bis zum Erreichen der ursprünglichen Temperatur

Der Carnot-Wirkungsgrad ist also eine Eigenschaft einer erdachten Maschine in einem stark abstrahierten theoretischen Modell.

Im Rahmen der Theorie der Thermodynamik stellte sich später heraus, dass die genannte Obergrenze für den Wirkungsgrad auch mit keiner anderen Art von Wärmekraftmaschine überschritten werden kann, gleich nach welchem Prinzip sie arbeitet. Es wird für diese Betrachtung angenommen, dass einer Wärmekraftmaschine eine Wärmequelle (z. B. heißer Dampf) mit einer oberen Temperatur To und eine Wärmesenke (z. B. Kühlwasser) mit einer unteren Temperatur Tu zur Verfügung steht. Die Carnot-Formel gibt dann den theoretisch maximal möglichen Wirkungsgrad an.

Der Carnot-Wirkungsgrad wird Null, wenn die obere und untere Temperatur gleich sind, also kein Temperaturgefälle zur Verfügung steht. Umgekehrt setzt ein hoher Carnot-Wirkungsgrad ein starkes Temperaturgefälle voraus.

Man beachte, dass sich eine Absenkung der unteren Temperatur um z. B. 1 Grad deutlich stärker auf den Carnot-Wirkungsgrad auswirkt als eine Erhöhung der oberen Temperatur um den gleichen Betrag.

Bedeutung in der Geothermie

In der Tiefengeothermie ist die obere Temperatur durch die Temperatur des Thermalwassers begrenzt. Hierdurch sind die Carnot-Wirkungsgrade gegenüber fossilen Kraftwerken vergleichsweise klein. Das Verhältnis von tatsächlich erreichten Wirkungsgrad zum Carnot-Wirkungsgrad ist der exergetische Wirkungsgrad. Er wird in Prozent des Carnot-Wirkungsgrades angegeben. Durch technische Maßnahmen kann nur ein möglichst hoher exergetischer Wirkungsgrad angestrebt werden.

Weblink

.https://www.energie-lexikon.info/carnot_wirkungsgrad.html