(ENT2 20) – Anlagenwirkungsgrad [Kraftwerke] – Grundlagen, Formeln, Beispiele

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Inhaltsverzeichnis:

In diesem Kurstext stellen wir dir als Techniker den Anlagenwirkungsgrad vor. In diesem Zusammenhang ist es sinnvoll, dass wir auch den den mittleren Anlagenwirkungsgrad thematisieren. Denn dieser gilt als besonders aussagekräftig.

Für ein optimales Verständnis helfen dir zahlreiche, ausführliche Videoclips und viele anschauliche Rechenbeispiele zu dem Thema.

Mehr zu diesem Thema und der Energietechnik findest du im Kurs: ENT2-Kraftwerkstechnik

 

AnlagenWirkungsgrad- Grundlagen

Merk’s dir!

“Der Wirkungsgrad ist ein Maß für die Effizienz bei der Umwandlung einer Energieform in eine andere.”

Anlagenwirkungsgrad als Qualitätskriterium eines Kraftwerks
Anlagenwirkungsgrad als Qualitätskriterium eines Kraftwerks

 

Der Anlagenwirkungsgrad eines Kraftwerks zeigt, wie gut es Brennstoff in Strom umwandelt. Ein höherer Wirkungsgrad bedeutet, dass das Kraftwerk effizienter ist und mehr Strom pro eingesetzter Energieeinheit produziert.

Der Anlagenwirkungsgrad wird oft in Prozent ausgedrückt und ist wichtig für die Kosten und Umweltauswirkungen des Kraftwerks. Ein effizientes Kraftwerk hat einen hohen Wirkungsgrad und nutzt Brennstoffe besser aus, was die Energiekosten senkt und die Umweltbelastung verringert.

 

Umwandlungsverluste – Grundlagen

Dem gegenüber stehen die Umwandlungsverluste. 

Merk’s dir!

Die Umwandlungsverluste eines Kraftwerks sind die Energieverluste, die auftreten, wenn das Kraftwerk Brennstoff oder eine andere Energiequelle in elektrischen Strom umwandelt.

Diese Verluste entstehen durch verschiedene Prozesse wie Verbrennung, mechanische Bewegung und elektrische Umwandlung.

Sie treten in Form von Wärme, Reibung, Schall und anderen Energieformen auf, die nicht in elektrische Energie umgewandelt werden können.

Umwandlungsverluste sind normalerweise unvermeidlich, aber Kraftwerke bemühen sich, sie zu minimieren, um die Effizienz und Rentabilität zu verbessern.

 

Ausgedrückt wird der Wirkungsgrad formal mit dem griechischen Buchstaben \eta.

Merk’s dir!

Der Anlagenwirkungsgrad ist meistens nur dann aussagekräftig, wenn er über mehrerer Jahre gemittelt wird.

 

Bei der Ermittlung des Wirkungsgrades muss immer der Einfluss

  • der Einsatzweise 

sowie

  • des Zustandes

der Anlage berücksichtigt werden.

Anlagenwirkungsgrad - Anlagenzustand als Einfluss
Anlagenwirkungsgrad – Anlagenzustand als Einfluss

 

Auch Verluste des Kraftwerks, die durch

  • Ruhepausen (Ruhepausen eines Kraftwerks sind die Zeiten, in denen das Kraftwerk nicht arbeitet und keine elektrische Energie erzeugt. Diese Pausen können auftreten, wenn das Kraftwerk für Wartungsarbeiten, Reparaturen oder aufgrund von geringer Nachfrage vom Netz genommen wird. Während Ruhepausen stehen die Maschinen still, und es wird kein Kraftstoff verbrannt oder Strom erzeugt. Ruhepausen sind eine normale Betriebspraxis, die dazu dient, die Leistung und Effizienz des Kraftwerks aufrechtzuerhalten und sicherzustellen, dass es ordnungsgemäß funktioniert, wenn es wieder in Betrieb genommen wird.)

sowie

  • Wartungspausen (Wartungspausen eines Kraftwerks sind geplante Zeiten, in denen das Kraftwerk außer Betrieb genommen wird, um Inspektionen, Wartung und Reparaturen durchzuführen. Während dieser Pausen werden Maschinen überprüft, Verschleißteile ausgetauscht und Systeme gewartet, um sicherzustellen, dass das Kraftwerk effizient und sicher arbeitet. Wartungspausen sind entscheidend, um die Leistung und Zuverlässigkeit des Kraftwerks zu erhalten und Ausfälle zu vermeiden. Sie werden sorgfältig geplant, um den Betrieb des Kraftwerks so wenig wie möglich zu beeinträchtigen.)

entstehen, müssen mit erfasst werden.

 

Weniger ist… weniger!

Der Wirkungsgrad eines Kohlekraftwerks nimmt merklich ab, wenn die Leistung reduziert wird.

 

Ähnlich ergeht es den Wirkungsgraden thermischer Kraftwerke, wenn die Anlagen nicht maximal ausgelastet sind.

 

Mittlerer Anlagenwirkungsgrad – Gleichung

Merk’s dir!

Der mittlere Anlagenwirkungsgrad eines Kraftwerks gibt an, wie viel Prozent der eingesetzten Energie tatsächlich in elektrische Energie umgewandelt wird. Ein höherer Wirkungsgrad bedeutet, dass das Kraftwerk effizienter arbeitet und mehr Strom pro eingesetzter Energieeinheit erzeugt.

Der mittlere Anlagenwirkungsgrad wird oft als Prozentsatz ausgedrückt und kann durch verschiedene Faktoren beeinflusst werden, einschließlich der Effizienz der eingesetzten Technologien, des Kraftstofftyps und der Betriebsbedingungen. Ein hoher mittlerer Anlagenwirkungsgrad ist ein wichtiges Ziel für Kraftwerke, da er die Kosten senkt, die Umweltbelastung verringert und die Energieversorgung nachhaltiger macht.

 

Für eine genaue Beschreibung des Wirkungsgrades einer Anlage ermittelt man mehrere mittlere Wirkungsgrade über den Zeitverlauf. Dabei ist es zwingend erforderlich, dass alle Einflüsse mit berücksichtigt werden.

Formal nutzen wir dazu folgende Gleichung:

\overline{\eta} = \frac{\int_{0}^{t_a} P_{el} (t) dt}{\int_{0}^{t_a} \dot{m}_B (t) H_U dt}

 

Kennzahlen:

P_{el} = Elektrische Leistung

sowie

\dot{m} = Stoffstrom des Energieträgers

sowie

H_U = Heizwert (unterer) des Energieträgers

 

Mittlerer Wirkungsgrad – Kraftwerkkonzepte

In der nachfolgende Tabelle findest du Wirkungsgrade für unterschiedliche Kraftwerkstypen

Kraftwerkstyp Wirkungsgrad Anmerkung
Gasturbine (offen) 25 \le \eta \le 32 Ohne / Mit Rekuperator realisierbar
Leichtwasserreaktor 32 \le \eta \le 33  
Braunkohlekraftwerk 34 \le \eta \le 35 Inkl. Nasskühlturm, DENOX-Anlage sowie REA realisiert
Steinkohlekraftwerk 36 \le \eta \le 37 Inkl. Nasskühlturm, DENOX-Anlage sowie REA realisiert
Hochtemperaturreaktor 39 \le \eta \le 45 Dampfkraftprozess, Für Gasturbinen aber noch maximierbar
Gas-Dampf-Kombi-Anlage 45 \le \eta \le 48 Eintrittstemperatur der Gasturbine entscheidend

 

Merk’s dir!

Immer wenn es an die Planung eines neuen Kraftwerks geht, betrachtet man im Vorfeld die mittleren Kraftwerkswirkungsgrade um daraus die Kosten abschätzen zu können.

 

All inclusive… ist besser!

Der Vorteil des mittleren Kraftwerkswirkungsgrades besteht darin, dass hier schon Ausfallzeiten berücksichtigt sind.

 

Was kommt als Nächstes?

Nachdem wir nun den Anlagenwirkungsgrad betrachtet haben, stellen wir dir im nächsten Kurstext weitere Kostenpunkte beim Kraftwerksbetrieb vor.

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