Wirkungsgrade und Bewertung

Definition und Bewertung von Wirkungsgraden in thermischen Netzen: Momentan- und Jahresnutzungsgrad, gewichtete Bewertung von Wärme und Strom

Das lernen Sie in diesem Artikel:

Momentanwirkungsgrad vs. Jahresnutzungsgrad
Brutto-/Nettowerte und Wärme-Kraft-Kopplung
COP und Jahresarbeitszahl (SCOP) bei Wärmepumpen

Inhaltsverzeichnis

Der Netto-Jahresnutzungsgrad ist die aussagekräftigste Kenngröße für die Effizienz von Wärmeerzeugungsanlagen, da er Teillastbetrieb, Anfahrverluste und Eigenverbrauch über ein ganzes Betriebsjahr einschließt. Für Wärmepumpen in Netzanwendungen liegt der COP typischerweise bei 3,0 bis 5,0 (abhängig von Quellen- und Vorlauftemperatur), während BHKW einen Gesamtwirkungsgrad von 85 bis 95 % erreichen. Bei Anlagen mit Wärme-Kraft-Kopplung oder Wärmepumpen ist eine gewichtete Bewertung von Wärme und Strom erforderlich, um die unterschiedliche thermodynamische Wertigkeit beider Energieformen korrekt abzubilden.

COP-Verlauf und Wirkungsgradkonzepte

Wirkungsgrad und Nutzungsgrad

Momentanwirkungsgrad

Der Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis von Nutzenergie zu zugeführter Energie zu einem bestimmten Zeitpunkt:

\eta = \frac{\dot{Q}_{Nutz}}{\dot{Q}_{Br}}

mit $\dot{Q}_{Nutz}$ als nutzbare Wärmeleistung und $\dot{Q}_{Br}$ als zugeführter Wärmeleistung im Brennstoff.

Die Bestimmung kann auf zwei Wegen erfolgen:

Indirekte Methode: Auf Basis der über eine Abgasmessung berechneten Verluste: $\eta = 1 - \text{Verluste}$ . Liefert den feuerungstechnischen Wirkungsgrad.
Direkte Methode: Aus gemessener Wärmeproduktion und gleichzeitig zugeführter Brennstoffenergie. Aussagekräftiger, setzt aber voraus, dass die Anlage sich im stationären Zustand befindet.

Jahresnutzungsgrad

Der Nutzungsgrad bezieht sich auf einen längeren Betrachtungszeitraum (typischerweise ein Jahr) und berücksichtigt damit auch Anfahrverluste, Stillstandsverluste und Teillastbetrieb:

\eta_{a} = \frac{Q_{Nutz,a}}{Q_{Br,a}}

mit $Q_{Nutz,a}$ als jährlich erzeugte Nutzwärme [kWh/a] und $Q_{Br,a}$ als jährlich zugeführte Brennstoffenergie [kWh/a].

Der Jahresnutzungsgrad liegt stets unter dem Momentanwirkungsgrad bei Volllast, da Teillastbetrieb und Stillstandszeiten die Effizienz mindern.

Brutto und Netto

Sowohl für Wirkungsgrade als auch für Nutzungsgrade wird zwischen Brutto- und Nettowerten unterschieden:

Bruttowerte berücksichtigen den Ertrag ohne den Eigenverbrauch der Anlage
Nettowerte ziehen den Eigenverbrauch an Hilfsenergie (z. B. Strom für Brennstofftrocknung, Pumpen, Gebläse) ab

Für die Bewertung eines Wärmeerzeugungssystems ist der Netto-Jahresnutzungsgrad die aussagekräftigste Kennzahl.

Anlagen mit Stromerzeugung

Bei Anlagen mit Wärme-Kraft-Kopplung (BHKW, ORC, Dampfturbine) wird die Gesamteffizienz über getrennte Wirkungsgrade für Wärme und Strom beschrieben:

\eta_{tot} = \eta_q + \eta_{el} = \frac{\dot{Q}_{Nutz} + P_{el}}{\dot{Q}_{Br}}

mit:

$\eta_q$ = Wirkungsgrad Wärmeproduktion
$\eta_{el}$ = Wirkungsgrad Stromproduktion
$P_{el}$ = elektrische Leistung

Typische Werte nach Anlagentyp

Anlagentyp	$\eta_q$	$\eta_{el}$	$\eta_{tot}$
Heizwerk (Holzkessel)	0,85 — 0,92	—	0,85 — 0,92
Holz-WKK mit ORC	0,65 — 0,75	0,10 — 0,18	0,80 — 0,90
Holzheizkraftwerk (Dampf)	0,50 — 0,65	0,15 — 0,30	0,80 — 0,90
BHKW (Erdgas/Biogas)	0,50 — 0,60	0,30 — 0,40	0,85 — 0,95

Gewichtete Bewertung von Wärme und Elektrizität

Wärme und Strom sind nicht gleichwertig: Strom ist thermodynamisch hochwertiger (höherer Exergiegehalt) und hat in der Regel einen höheren Marktwert. Für einen fairen Vergleich verschiedener Erzeugungstechnologien wird daher eine gewichtete Bewertung herangezogen.

Ein einfacher Ansatz verwendet einen Stromkennzahl-Faktor $\sigma$ :

\sigma = \frac{P_{el}}{\dot{Q}_{Nutz}}

Je höher die Stromkennzahl, desto mehr Strom wird pro Einheit Wärme erzeugt. Für die Bewertung der Primärenergie wird der erzeugte Strom mit einem Primärenergiefaktor des Strommixes gutgeschrieben.

Gesamt-Jahresnutzungsgrad

Für die Jahresbetrachtung gilt analog:

\eta_{tot,a} = \eta_{q,a} + \eta_{el,a} = \frac{Q_{Nutz,a} + E_{el,a}}{Q_{Br,a}}

WKK-Anlagen werden typischerweise auf Grundlastwärmebedarf ausgelegt, um hohe Vollbetriebsstunden (> 5000 h/a) zu erreichen. Dies gewährleistet eine vollständige Nutzung der Abwärme und damit einen hohen Gesamtnutzungsgrad.

Wirkungsgrad von Wärmepumpen

Wärmepumpen werden über die Leistungszahl (COP) und die Jahresarbeitszahl (JAZ bzw. SCOP) bewertet:

COP = \frac{\dot{Q}_{Nutz}}{P_{el}}

SCOP = \frac{Q_{Nutz,a}}{E_{el,a}}

Der COP hängt stark von den Betriebstemperaturen ab. Als Faustregel sinkt der COP um ca. 2,5 % pro Kelvin Temperaturhub. Für Netzanwendungen sind folgende Werte typisch:

Quelle / Vorlauf	COP (Auslegung)
Seewasser 8 °C / 50 °C VL	4,0 — 4,5
Grundwasser 10 °C / 50 °C VL	4,5 — 5,0
Abwasser 15 °C / 65 °C VL	3,5 — 4,0
Luft 2 °C / 50 °C VL	3,0 — 3,5

COP-Berechnung in VICUS Districts:

Die Wärmepumpen-Simulation berechnet den COP in jedem Zeitschritt aus den tatsächlichen Quell- und Senkentemperaturen. Die Jahresarbeitszahl (SCOP) ergibt sich automatisch aus der Integration über den Simulationszeitraum — deutlich genauer als ein pauschaler Normwert, da die realen Temperaturverhältnisse im Netz berücksichtigt werden.

Fazit

Die korrekte Verwendung und Interpretation von Wirkungsgraden ist fundamental für die Bewertung und den Vergleich von Wärmeerzeugungstechnologien. Für die Netzplanung ist der Netto-Jahresnutzungsgrad die maßgebliche Größe, da er alle realen Betriebszustände einschließt. Bei WKK-Anlagen und Wärmepumpen ist eine gewichtete Bewertung erforderlich, um die unterschiedliche Wertigkeit von Wärme und Strom angemessen zu berücksichtigen.

Weiterführende Artikel: Netztemperaturen erläutert den Einfluss der Vor- und Rücklauftemperaturen auf COP und Wirkungsgrad der Wärmeerzeuger, Rücklauftemperatur-Optimierung zeigt, wie niedrige Rücklauftemperaturen den Erzeuger-Wirkungsgrad im Betrieb verbessern, und Wirtschaftlichkeitsberechnung nach VDI 2067 beschreibt die Methodik zur wirtschaftlichen Bewertung der Erzeugungsanlagen unter Berücksichtigung ihrer Wirkungsgrade.

Quellen und Normen

VDI 2067 Blatt 1 — Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen — Grundlagen und Kostenberechnung
DIN EN 15316 — Energetische Bewertung von Gebäuden — Verfahren zur Berechnung der Energieanforderungen und Nutzungsgrade der Anlagen
AGFW FW 309 — Energetische Bewertung von Fernwärme und Fernkälte

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Unterschied zwischen Wirkungsgrad und Nutzungsgrad?

Der Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis von Nutzwärme zu zugeführter Brennstoffenergie zu einem bestimmten Zeitpunkt. Der Nutzungsgrad (Jahresnutzungsgrad) bezieht sich auf ein ganzes Jahr und berücksichtigt Anfahrverluste, Stillstandsverluste und Teillastbetrieb. Der Jahresnutzungsgrad liegt daher stets unter dem Momentanwirkungsgrad bei Volllast.

Welchen COP erreichen Wärmepumpen in Fernwärmenetzen?

Typische COP-Werte für Netzanwendungen liegen zwischen 3,0 und 5,0: Grundwasser 10 °C auf 50 °C Vorlauf erreicht COP 4,5 bis 5,0, Seewasser 8 °C auf 50 °C COP 4,0 bis 4,5, Abwasser 15 °C auf 65 °C COP 3,5 bis 4,0 und Luft 2 °C auf 50 °C COP 3,0 bis 3,5. Als Faustregel sinkt der COP um ca. 2,5 % pro Kelvin Temperaturhub.

Was ist der Gesamtwirkungsgrad eines BHKW?

Blockheizkraftwerke (BHKW) mit Erdgas oder Biogas erreichen einen Gesamtwirkungsgrad von 85 bis 95 %, aufgeteilt in ca. 30 bis 40 % Strom und 50 bis 60 % Wärme. Holz-WKK-Anlagen mit ORC liegen bei 80 bis 90 % Gesamtwirkungsgrad mit 10 bis 18 % Strom- und 65 bis 75 % Wärmeanteil.

Wirkungsgrade und Bewertung

Wirkungsgrad und Nutzungsgrad

Momentanwirkungsgrad

Jahresnutzungsgrad

Brutto und Netto

Anlagen mit Stromerzeugung

Typische Werte nach Anlagentyp

Gewichtete Bewertung von Wärme und Elektrizität

Gesamt-Jahresnutzungsgrad

Wirkungsgrad von Wärmepumpen

Fazit

Quellen und Normen

Häufig gestellte Fragen

Verwandte Artikel

Von der Theorie zur Praxis

Bleiben Sie auf dem Laufenden

Wirkungsgrad und Nutzungsgrad

Momentanwirkungsgrad

Jahresnutzungsgrad

Brutto und Netto

Anlagen mit Stromerzeugung

Typische Werte nach Anlagentyp

Gewichtete Bewertung von Wärme und Elektrizität

Gesamt-Jahresnutzungsgrad

Wirkungsgrad von Wärmepumpen

Fazit

Quellen und Normen

Häufig gestellte Fragen

Verwandte Artikel

Von der Theorie zur Praxis

Bleiben Sie auf dem Laufenden

Datenschutzeinstellungen