Thermischer Wirkungsgrad (Prozesswirkungsgrad)

Feuerungstechnischer Wirkungsgrad

Der feuerungstechnische Wirkungsgrad (FTW) gibt die Nutzung der aus der Verbrennung eines Brennstoffes entstehenden Wärme bei Nennleistung an. Er berücksichtigt lediglich den Wärmeverlust durch Abkühlung der Abgase auf Umgebungstemperatur. Eine Bewertung der energetischen Effizienz eines Wärmeerzeugers allein mit Hilfe dieses Abgasverlustes ist möglich, wenn alle anderen Verluste vernachlässigbar sind. Bis Ende des 20. Jahrhunderts war diese Näherungsrechnung für Heizungsanlagen üblich, heute wird der Anlagenwirkungsgrad bzw. Jahresnutzungsgrad betrachtet.

Der FTW ist die Differenz aus 1 (100 %) und dem Abgasverlust ${\displaystyle q_{\mathrm {a} }}$:^[2]

${\displaystyle \eta _{\text{FTW}}=1-q_{\mathrm {a} }}$

Moderne Anlagen steigern den Wirkungsgrad durch Absenken der Abgastemperaturen und durch Rückgewinnung der Kondensationsenthalpie von Wasserdampf und Kohlenwasserstoffen. Sie nutzen den Brennwert eines Brennstoffes, während in alten Anlagen nur der Heizwert genutzt werden konnte. Es werden hohe Anforderungen an die Kaminanlage gestellt. Die Abgase müssen teilweise aktiv (z. B. Gebläse) abtransportiert werden, da sie nicht mehr warm genug sind, um selbst aufzusteigen. Der Schornstein ist korrosiven Angriffen durch die im kondensierten Wasser gelösten Verbrennungsrückstände ausgesetzt (Versottung). Unter bestimmten Bedingungen bildet sich zudem Teer, der aufgefangen und in die Verbrennung zurückgeführt werden muss.

Voll-Brennwertkessel, das Luft-Abgas-System oder die Beheizung von Nebenräumen nutzen bei Brennwertkesseln auch die latente Restwärme des Abgases unterhalb der Rücklauftemperatur des normalen Heizsystems. Dabei ist aber zu beachten, dass Gase eine geringe Wärmespeicherkapazität aufweisen und mitunter mit einer besseren Wärmedämmung des Hauses oder anderen Energiesparmaßnahmen „ums gleiche Geld“ gegebenenfalls ein höherer monetärer Nutzen erreicht werden könnte.

Der Wärmeaustrag infolge der Reaktionsenthalpien bei der Bildung von Stickoxiden bzw. die Reduzierung derselben durch Herabsetzung der Brenntemperaturen mithilfe von Porenbrennern oder katalytischen Brennern wird bei der (dem Stand der Technik nicht mehr entsprechenden und somit veralteten) Berechnungsmethode des feuerungstechnischen Wirkungsgrades nicht berücksichtigt.

Kesselwirkungsgrad

Der Kesselwirkungsgrad hK (%) ist das Verhältnis von Nennwärmeleistung in Prozent der Nennwärmebelastung bei einer Messung im konstanten Dauerbetrieb bei Nennwärmeleistung. Er berücksichtigt wie der FTW auch den Abgasverlust, aber darüber hinaus auch den Wärmeverlust an die Umgebung des Aufstellungsraumes.

Exergetischer Wirkungsgrad

Der exergetische Wirkungsgrad, auch isentroper Wirkungsgrad genannt, wird meistens zur Beschreibung von Wärmekraftmaschinen benutzt, die nicht nur mechanische bzw. elektrische Energie abgeben, sondern auch Nutzwärme liefern. Hierbei müssen die zwei unterschiedlichen Energiequalitäten (vgl. mit dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik) auf einen Nenner gebracht werden. Exergie steht hierbei für die technische Arbeitsfähigkeit; isentrope Prozesse verändern die Entropie nicht.

Thermische Energie kann nicht vollständig in andere Energieformen (z. B. elektrische Energie, mechanische Energie) umgewandelt werden. Die beiden Begriff Anergie und Exergie beschreiben, welcher Teil der thermischen Energie in nützliche physikalische Arbeit umgewandelt werden kann (Exergie) und welcher Teil als nicht nutzbare Abwärme in die Umwelt abgegeben werden muss (Anergie), um die Entropie der Energiewandlung abzuführen. Es gilt:

${\displaystyle {\text{Energie}}={\text{Anergie}}+{\text{Exergie}}}$

Die Erzeugung von Wärme ist, selbst in einem Brennwertkessel mit nominal 100 % Wirkungsgrad, stets mit Entropieproduktion verbunden. Damit besteht Niedertemperaturwärme aus viel Anergie und wenig Exergie. Der Exergiegehalt von Wärme entspricht dem Carnot-Faktor.

Der Wirkungsgrad einer realen Wärmekraftmaschine ist immer kleiner oder gleich dem der idealen Wärmekraftmaschine, dem Carnot-Wirkungsgrad

${\displaystyle \eta _{\mathrm {C} }=1-{\frac {T_{\mathrm {i} }}{T_{\mathrm {s} }}}}$

mit ${\displaystyle T_{\mathrm {i} }}$ als untere Temperatur (inferior) und ${\displaystyle T_{\mathrm {s} }}$ als obere Temperatur (superior).

Der exergetische Wirkungsgrad einer Energiewandlung bezieht alle ein- und ausfließenden Energieströme auf den Exergiegehalt, also die Arbeitsfähigkeit.

${\displaystyle \eta _{\text{exergetisch}}={\frac {\text{Exergie-Output}}{\text{Exergie-Input}}}}$

Brutto- und Nettowirkungsgrad

Insbesondere bei Wärmekraftwerken wird zwischen Brutto- und Nettowirkungsgrad unterschieden. Der Bruttowirkungsgrad bezieht sich auf die Bruttoleistung ${\displaystyle P_{\text{brutto}}}$, also die elektrische Leistung ohne Berücksichtigung der Eigenverbraucher wie z. B. Speisewasserpumpe:

${\displaystyle \eta _{\text{brutto}}={\frac {P_{\text{brutto}}}{{\dot {m}}\cdot H_{\text{u}}}}}$

(Dabei sind ${\displaystyle {\dot {m}}}$ der Massenstrom des zugeführten Brennstoffs und ${\displaystyle H_{\text{u}}}$ der Heizwert des Brennstoffs.)

Der Nettowirkungsgrad hingegen bezieht sich auf die Nettoleistung ${\displaystyle P_{\mathrm {netto} }}$, also die elektrische Leistung nach Abzug der Leistungsaufnahme der Eigenverbraucher ${\displaystyle P_{\mathrm {EB} }}$:

${\displaystyle \eta _{\mathrm {netto} }={\frac {P_{\mathrm {brutto} }-P_{\mathrm {EB} }}{{\dot {m}}\cdot H_{\text{u}}}}={\frac {P_{\mathrm {netto} }}{{\dot {m}}\cdot H_{\text{u}}}}}$

Im deutschen Sprachraum wird für Kraftwerke der Nettowirkungsgrad angegeben, sofern nicht explizit etwa anderes genannt wird.^[3]

Anlagenwirkungsgrad und Gesamtwirkungsgrad

Arbeiten mehrere Maschinen und Übertrager hintereinander, so werden deren einzelne Wirkungsgrade zum Gesamtwirkungsgrad ${\displaystyle \eta _{\text{gesamt}}}$ der Anlage, dem Anlagenwirkungsgrad multipliziert.

${\displaystyle \eta _{\text{gesamt}}=\eta _{1}\cdot \eta _{2}\dotsm \eta _{n}=\prod _{i=1}^{n}\eta _{i}}$

Beispiel:

• Kraftwerk mit Generator 40 % (0,40)
• Transformator am Kraftwerk 99 % (0,99)
• Transformator in der Nähe des Verbrauchers 95 % (0,95)
• Elektromotor 90 % (0,90)

Gesamtwirkungsgrad: ${\displaystyle \eta _{\text{gesamt}}=0{,}40\cdot 0{,}99\cdot 0{,}95\cdot 0{,}90\approx 0{,}34}$ oder 34 %.

Bei diesem Beispiel wird angenommen, dass die Energieübertragung zwischen den einzelnen Maschinen verlustfrei passiert. Ist dies nicht der Fall, so müssen zusätzlich Wirkungsgrade der Energieübertragung mitgerechnet werden.

Wird die bei einem thermischen Umwandlungsprozess freiwerdende Abwärme weiter genutzt, zum Beispiel zur Luftvorwärmung, Ölvorwärmung oder Fernheizung, wie es bei Blockheizkraftwerken der Fall ist (siehe Tab. unten), so vergrößert sich der Wirkungsgrad der Anlage, da ein Teil der eigentlich für den Prozess verloren gegangenen Wärme trotzdem genutzt werden kann.

Jahresnutzungsgrad

Der Jahresnutzungsgrad ist der jahresdurchschnittliche Anlagenwirkungsgrad über alle Betriebszyklen eines Wärmeerzeugers.

Er ermöglicht eine realistischere Kosten-Nutzen-Rechnung für Energiesparmaßnahmen, als dies mit der Näherungsrechnung des FTW möglich ist. Da auch durchschnittliche Häuser durch Verbesserung der Dämmung immer weniger Energie verbrauchen, wird die Betrachtung anderer Verluste immer wichtiger. Darunter fallen der Wärmeverlust der Wärmeerzeuger durch Abstrahlung, der Verlust durch Kondensation des Wassers im Brennstoff, benötigte Wärme durch häufige Starts der Heizung mit schlechtem Wirkungsgrad in der Startphase, niedrige Brennerlaufzeit durch zu groß dimensionierten Kessel.

Auch wenn moderne Einzelgeräte einer Heizungsanlage in der Regel einen Wirkungsgrad bei Nennleistung von über 90 % haben, beläuft sich der Jahresnutzungsgrad nur auf 60–80 %, die vom Heizkörper abgegeben werden.

Normnutzungsgrad

Der Normnutzungsgrad bezieht die neue Technik der Brennwertkessel mit modulierender Leistungsregelung (Teillastbetrieb) durch gestufte Teillastbetriebspunkte von 12,8 %, 30,3 %, 38,8 %, 47,6 % und 62,6 % der Nennleistung mit ein.

Die Berechnung ist nach DIN 4702 Teil 8 festgelegt für

1. Heizbetrieb,
2. kombinierter Heizbetrieb mit allerdings nur etwa fünf Prozent Anteil Warmwassererwärmung,
3. Warmwassererwärmung.