Wie viel mehr Kraftstoff benötigt der Kolbenmotor des BHKW bei cosφ von 1 auf 0,9?

Mehr Strom und mehr Kraftstoff durch dynamische cosφ-Regelung an Synchrongeneratoren: Wie viel mehr Kraftstoff benötigt der Kolbenmotor bei cosφ von 1 auf 0,9?

In vielen modernen Energiesystemen, die von Synchrongeneratoren angetrieben werden, kommt es zunehmend auf Flexibilität und Effizienz an. Besonders in Blockheizkraftwerken (BHKW), die oft von Kolbenmotoren betrieben werden, spielt die dynamische Regelung des Leistungsfaktors cos⁡ϕ\cos \phicosϕ eine wichtige Rolle. Die Möglichkeit, den Leistungsfaktor zu ändern, bringt jedoch sowohl Vorteile als auch Herausforderungen mit sich. Doch was passiert genau, wenn der Leistungsfaktor (von ursprünglich 1) auf 0,9 sinkt? Wie wirkt sich das auf den Kraftstoffverbrauch aus?

Leistungsfaktor und seine Auswirkungen auf die Scheinleistung

Der Leistungsfaktor cos⁡ϕ gibt das Verhältnis zwischen der gelieferten Wirkleistung und der insgesamt erzeugten Scheinleistung an. Ein Leistungsfaktor von 1 bedeutet, dass der Synchrongenerator nur Wirkleistung (P) liefert, ohne Blindleistung (Q). In diesem Fall ist die Scheinleistung (S) identisch mit der Wirkleistung.

Das bedeutet, der Generator muss nun eine Scheinleistung von etwa 1,11 MVA bereitstellen, was einem Anstieg von rund 11 % entspricht. Dieser Anstieg führt dazu, dass mehr Strom durch die Generatorwicklungen fließt, was wiederum die Stromaufnahme erhöht und zusätzliche Verluste im System verursacht.

Wie wirkt sich der erhöhte Strombedarf auf den Kolbenmotor und den Kraftstoffverbrauch aus?

Da der Kolbenmotor den Generator antreibt, muss er diese erhöhte Scheinleistung unterstützen, was in der Praxis bedeutet, dass er mehr Arbeit verrichten muss, um die gleiche Wirkleistung bei einem geringeren Leistungsfaktor bereitzustellen. Da höhere Stromstärken durch die Generatorwicklungen fließen, steigen die sogenannten Kupferverluste (die quadratisch mit dem Strom ansteigen), was zu einem höheren Gesamtenergiebedarf führt.

Zusammengefasst bedeutet das:

1. Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs: Um die 11 % höhere Scheinleistung zu liefern, steigt der Strombedarf des Systems und damit der Kraftstoffverbrauch des Motors. Da der Wirkungsgrad des Systems den größten Einfluss hat, lässt sich abschätzen, dass der Kraftstoffverbrauch proportional zum Anstieg der Scheinleistung zunimmt, also um etwa 11 %.

2. Zusätzliche Verluste: Da die Verluste im Generator und im gesamten System proportional zum Quadrat des Stroms steigen, könnten reale Verbrauchszuwächse geringfügig über den 11 % liegen. Zusätzliche Erwärmung des Systems kann ebenfalls einen höheren Verbrauch verursachen, besonders in langen Betriebszeiten.

   
   

Dynamische cosφ-Regelung: Chancen und Herausforderungen

Die dynamische Regelung des Leistungsfaktors kann in vielen Fällen sinnvoll sein, insbesondere wenn sich die Anforderungen an Blindleistung in einem Netz ändern. Mit einem flexiblen cos⁡ϕ\cos \phicosϕ kann der Generator gezielt Blindleistung bereitstellen und so das Netz stabilisieren. Jedoch ist dies mit einem erhöhten Energiebedarf und höheren Kosten für den Betrieb des BHKW verbunden.

Fazit: Mehr Flexibilität, aber auch mehr Verbrauch

Ein dynamischer Leistungsfaktor-Regler am Synchrongenerator ermöglicht Flexibilität, kostet aber in Form eines höheren Kraftstoffverbrauchs. Der Anstieg des Kraftstoffverbrauchs ist bei einer Änderung des cos⁡ϕ von 1 auf 0,9 etwa gleich dem Anstieg der Scheinleistung – also rund 11 % mehr Kraftstoff.

Wer diese Technik einsetzt, sollte sich daher bewusst sein, dass die Kosten-Nutzen-Bilanz genau abgewogen werden muss.