L’efficienza di conversione energetica (η) è il rapporto tra l’output utile di una macchina di conversione dell’energia e l’input, in termini energetici. L’input, così come l’output utile può essere chimico, energia elettrica, lavoro meccanico, luce (radiazione) o calore.

Panoramica
L’efficienza di conversione energetica dipende dall’utilità dell’output. Tutto o parte del calore prodotto dalla combustione di un combustibile può diventare calore di scarto rifiutato se, ad esempio, il lavoro è l’uscita desiderata da un ciclo termodinamico. Il convertitore di energia è un esempio di trasformazione energetica. Ad esempio una lampadina cade nelle categorie convertitore di energia.  Anche se la definizione include la nozione di utilità, l’efficienza è considerata un termine tecnico o fisico. I termini orientati all’obiettivo o alla missione includono l’efficacia e l’efficacia.

Generalmente, l’efficienza di conversione energetica è un numero adimensionale compreso tra 0 e 1.0, o dallo 0% al 100%. L’efficienza non può superare il 100%, ad es. Per una macchina a moto perpetuo. Tuttavia, altre misure di efficacia che possono superare 1,0 vengono utilizzate per pompe di calore e altri dispositivi che spostano il calore anziché convertirlo.

Quando si parla dell’efficienza dei motori termici e delle centrali elettriche, occorre dichiarare la convenzione, vale a dire, HHV (ovvero valore di riscaldamento lordo, ecc.) O LCV (ovvero il valore di riscaldamento netto), e se l’uscita lorda (ai terminali del generatore) o la rete uscita (alla recinzione della centrale elettrica) sono in fase di valutazione. I due sono separati ma entrambi devono essere dichiarati. In caso contrario, la confusione è infinita.

Termini correlati più specifici includono

Efficienza elettrica, potenza utile per potenza assorbita;
Efficienza meccanica, in cui una forma di energia meccanica (ad es. Energia potenziale di acqua) viene convertita in energia meccanica (lavoro);
Efficienza termica o Efficienza del carburante, calore utile e / o rendimento di lavoro per energia in ingresso, ad esempio il carburante consumato;
“Efficienza totale”, ad es. Per la cogenerazione, l’energia elettrica utile e la potenza termica per energia consumata. Come l’efficienza termica.
Efficienza luminosa, quella parte della radiazione elettromagnetica emessa è utilizzabile per la visione umana.

Valori di riscaldamento del combustibile ed efficienza
In Europa, il contenuto energetico utilizzabile del carburante viene in genere calcolato utilizzando il valore di riscaldamento inferiore (LHV) di quel combustibile, la cui definizione presuppone che il vapore acqueo prodotto durante la combustione (ossidazione), resti gassoso e non sia condensato in acqua liquida quindi il calore latente di vaporizzazione di quell’acqua non è utilizzabile. Utilizzando l’LHV, una caldaia a condensazione può raggiungere una “efficienza di riscaldamento” superiore al 100% (ciò non viola la prima legge della termodinamica finché la convenzione LHV è compresa, ma causa confusione). Questo perché l’apparecchio recupera parte del calore di vaporizzazione, che non è incluso nella definizione del basso valore di riscaldamento del carburante. Negli Stati Uniti e altrove, viene utilizzato il valore di riscaldamento più elevato (HHV), che include il calore latente per condensare il vapore acqueo, e quindi il massimo termodinamico del 100% di efficienza non può essere superato con l’uso di HHV.

Efficienza wall-plug, efficienza luminosa ed efficacia
Nei sistemi ottici come l’illuminazione e i laser, l’efficienza di conversione energetica viene spesso definita efficienza wall-plug. L’efficienza wall-plug è la misura dell’emissione dell’energia radiativa, in watt (joule al secondo), per il totale dell’energia elettrica in ingresso in watt. L’energia di uscita viene solitamente misurata in termini di irradiamento assoluto e l’efficienza di wall-plug è data come percentuale dell’energia totale di input, con la percentuale inversa che rappresenta le perdite.

L’efficienza wall-plug è diversa dall’efficienza luminosa in quanto l’efficienza wall-plug descrive la conversione diretta di energia in ingresso / in entrata (la quantità di lavoro che può essere eseguita) mentre l’efficienza luminosa tiene conto della variabilità dell’occhio umano a diverse lunghezze d’onda ( quanto bene può illuminare uno spazio). Invece di usare watt, la potenza di una sorgente luminosa per produrre lunghezze d’onda proporzionali alla percezione umana viene misurata in lumen. L’occhio umano è più sensibile alle lunghezze d’onda di 555 nanometri (giallo-verdastro), ma la sensibilità diminuisce drasticamente su entrambi i lati di questa lunghezza d’onda, seguendo una curva di potenza gaussiana e scendendo a zero sensibilità alle estremità rossa e viola dello spettro.A causa di ciò l’occhio di solito non vede tutte le lunghezze d’onda emesse da una particolare fonte di luce, né vede tutte le lunghezze d’onda all’interno dello spettro visivo allo stesso modo. Giallo e verde, ad esempio, costituiscono oltre il 50% di ciò che l’occhio percepisce come bianco, anche se in termini di energia radiante la luce bianca è composta da parti uguali di tutti i colori (ad esempio: un laser verde da 5 mw appare più luminoso di un laser rosso da 5 mw, tuttavia il laser rosso si distingue meglio rispetto a uno sfondo bianco). Pertanto, l’intensità radiante di una sorgente di luce può essere molto maggiore della sua intensità luminosa, il che significa che la sorgente emette più energia di quella che l’occhio può usare. Allo stesso modo, l’efficienza della presa a muro della lampada è solitamente superiore alla sua efficienza luminosa. L’efficacia di una sorgente luminosa per convertire l’energia elettrica in lunghezze d’onda della luce visibile, in proporzione alla sensibilità dell’occhio umano, viene indicata come efficienza luminosa, misurata in unità di lumen per watt (lm / w) di ingresso elettrico -energia.

A differenza dell’efficacia (efficacia), che è un’unità di misura, l’efficienza è il numero senza unità espresso in percentuale, richiedendo solo che le unità di ingresso e di uscita siano dello stesso tipo.Pertanto, l’efficienza luminosa di una sorgente di luce è la percentuale di efficienza luminosa per l’efficacia massima teorica a una lunghezza d’onda specifica. La quantità di energia trasportata da un fotone di luce è determinata dalla sua lunghezza d’onda. Nei lumen, questa energia viene compensata dalla sensibilità dell’occhio alle lunghezze d’onda selezionate. Ad esempio, un puntatore laser verde può avere più di 30 volte la luminosità apparente di un puntatore rosso della stessa potenza. A 555 nm in lunghezza d’onda, 1 watt di energia radiante equivale a 685 lumen, quindi una sorgente di luce monocromatica a questa lunghezza d’onda, con un’efficacia luminosa di 685 lm / w, ha un’efficienza luminosa del 100%. L’efficacia teorico-massima diminuisce per le lunghezze d’onda su entrambi i lati di 555 nm. Ad esempio, lampade al sodio a bassa pressione producono luce monocromatica a 589 nm con un’efficienza luminosa di 200 lm / w, che è la più alta di qualsiasi lampada. L’efficacia massima teorica a quella lunghezza d’onda è 525 lm / w, quindi la lampada ha un’efficienza luminosa del 38,1%. Poiché la lampada è monocromatica, l’efficienza luminosa corrisponde quasi all’efficienza wall-plug di & lt; 40%.

I calcoli per l’efficienza luminosa diventano più complessi per le lampade che producono luce bianca o una combinazione di linee spettrali. Le lampade fluorescenti hanno un’efficienza del wall-plug più elevata rispetto alle lampade al sodio a bassa pressione, ma hanno solo la metà dell’efficienza luminosa di ~ 100 lm / w, pertanto l’efficienza luminosa delle lampade fluorescenti è inferiore alle lampade al sodio. Un flashtube xenon ha una tipica efficienza wall-plug del 50-70%, superiore a quella della maggior parte delle altre forme di illuminazione. Poiché il tubo flash emette grandi quantità di radiazioni infrarosse e ultraviolette, solo una parte dell’energia di uscita viene utilizzata dall’occhio. L’efficacia luminosa è quindi tipicamente di circa 50 lm / w. Tuttavia, non tutte le applicazioni per l’illuminazione coinvolgono l’occhio umano e non sono limitate a lunghezze d’onda visibili. Per il pompaggio laser, l’efficacia non è correlata all’occhio umano, quindi non è chiamata efficacia “luminosa”, ma piuttosto semplicemente “efficacia” in quanto si riferisce alle linee di assorbimento del mezzo laser. I flashglass Krypton sono spesso scelti per il pompaggio di laser Nd: YAG, anche se la loro efficienza wall-plug è in genere solo ~ 40%. Le linee spettrali di Krypton corrispondono meglio alle linee di assorbimento del cristallo drogato al neodimio, quindi l’efficacia di kripton per questo scopo è molto più alta dello xeno; in grado di produrre fino a due volte l’uscita laser per lo stesso ingresso elettrico. Tutti questi termini si riferiscono alla quantità di energia e lumen che escono dalla sorgente luminosa, ignorando eventuali perdite che potrebbero verificarsi all’interno del dispositivo di illuminazione o delle ottiche di uscita successive. L’efficienza dell’apparecchio si riferisce al flusso luminoso totale proveniente dall’apparecchio per l’uscita della lampada.

Ad eccezione di alcune fonti di luce, come le lampadine a incandescenza, la maggior parte delle fonti di luce hanno più stadi di conversione di energia tra la “presa a muro” (punto di ingresso elettrico, che può includere batterie, cablaggio diretto o altre fonti) e la finale emissione luminosa, con ogni fase che produce una perdita. Le lampade al sodio a bassa pressione convertono inizialmente l’energia elettrica usando un reattore elettrico, per mantenere la corrente e la tensione corrette, ma una certa energia viene persa nella zavorra. Allo stesso modo, le lampade fluorescenti convertono anche l’elettricità usando una zavorra (efficienza elettronica). L’elettricità viene quindi convertita in energia luminosa dall’arco elettrico (efficienza dell’elettrodo e efficienza di scarica). La luce viene quindi trasferita a un rivestimento fluorescente che assorbe solo lunghezze d’onda adeguate, con alcune perdite di quelle lunghezze d’onda dovute alla riflessione e alla trasmissione attraverso il rivestimento (efficienza di trasferimento). Il numero di fotoni assorbiti dal rivestimento non corrisponderà al numero quindi riemesso come fluorescenza (efficienza quantica). Infine, a causa del fenomeno dello spostamento di Stokes, i fotoni riemessi avranno una lunghezza d’onda più corta (quindi minore energia) rispetto ai fotoni assorbiti (efficienza di fluorescenza). In modo molto simile, i laser sperimentano anche molti stadi di conversione tra la presa a muro e l’apertura di uscita. I termini “efficienza wall-plug” o “efficienza di conversione energetica” sono quindi utilizzati per indicare l’efficienza complessiva del dispositivo di conversione dell’energia, deducendo le perdite da ogni fase, anche se questo potrebbe escludere componenti esterni necessari per il funzionamento di alcuni dispositivi, come pompe del liquido di raffreddamento

Esempio di efficienza di conversione energetica

Processo di conversione	Tipo di conversione	Efficienza energetica
Generazione di elettricità
Turbina a gas	Chimico ad elettrico	fino al 40%
Turbina a gas più turbina a vapore (ciclo combinato)	Chimico / termico a elettrico	fino al 60%
Turbina dell’acqua	Gravitazionale ad elettrico	fino al 90% (praticamente raggiunto)
Turbina eolica	Cinetica a elettrica	fino al 59% (limite teorico)
Celle a energia solare	Radiativo all’elettrico	6-40% (dipendente dalla tecnologia, 15-20% il più delle volte, limite teorico 85-90%)
Cella a combustibile	Chimico ad elettrico	fino all’85%
Produzione mondiale di elettricità 2008	Produzione lorda del 39%	Produzione netta del 33%
Deposito di elettricità
Batteria agli ioni di litio	Chimico a elettrico / reversibile	80-90%
Batteria al nichel-metallo idruro	Chimico a elettrico / reversibile	66%
Batteria al piombo	Chimico a elettrico / reversibile	50-95%
Motore / motore
Motore a combustione	Chimico a cinetico	10-50%
Motore elettrico	Elettrico a cinetico	70-99,99% (> 200 W); 50-90% (10-200 W); 30-60% (<10 W)
turbofan	Chimico a cinetico	20-40%
Processo naturale
Fotosintesi	Radiativo a chimico	fino al 6%
Muscolo	Chimico a cinetico	14-27%
Apparecchio
Frigorifero domestico	Elettrico a termico	sistemi di fascia bassa ~ 20%; sistemi di fascia alta ~ 40-50%
Lampadina incandescente	Elettrico a radiante	0,7-5,1%, 5-10%
Diodo ad emissione luminosa (LED)	Elettrico a radiante	4,2-53%
Lampada a fluorescenza	Elettrico a radiante	8,0-15,6%, 28%
Lampada al sodio a bassa pressione	Elettrico a radiante	15,0-29,0%, 40,5%
Lampada ad alogenuri metallici	Elettrico a radiante	9,5-17,0%, 24%
Alimentatore a modalità commutata	Elettrico a elettrico	attualmente fino al 96% praticamente
Doccia elettrica	Elettrico a termico	90-95% (moltiplicato per l’efficienza energetica della produzione di elettricità per il confronto con altri sistemi di riscaldamento dell’acqua)
Stufa elettrica	Elettrico a termico	~ 100% (essenzialmente tutta l’energia viene convertita in calore, moltiplicata per l’efficienza energetica della produzione di elettricità per il confronto con altri sistemi di riscaldamento)
Altri
arma	Chimico a cinetico	~ 30% (munizioni da 300 Hawk)
Elettrolisi dell’acqua	Elettrico a chimico	50-70% (80-94% massimo teorico)