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Der Cos Phi meines BHKW's ist nicht 1 - was bedeutet das?

Definition:


Der Cosinus Phi (auch als Leistungsfaktor bezeichnet) ist ein Maß für die Effizienz der Nutzung elektrischer Energie in einem Wechselstromsystem. Er gibt das Verhältnis zwischen der Wirkleistung (P) und der Scheinleistung (S) in einem elektrischen System an und zeigt, wie viel der bereitgestellten Energie tatsächlich in nützliche Arbeit umgewandelt wird.

Grundbegriffe:

  • Wirkleistung (P): Dies ist die tatsächliche Leistung, die in einem elektrischen System in nützliche Arbeit umgewandelt wird. Sie wird in Watt (W) oder Kilowatt (kW) gemessen.

  • Blindleistung (Q): Dies ist die Leistung, die zwischen den Komponenten des Systems hin- und hergeschoben wird, aber keine nützliche Arbeit verrichtet. Sie wird in Voltampere-reaktiv (var) oder Kilovoltampere-reaktiv (kvar) gemessen.

  • Scheinleistung (S): Dies ist die gesamte Leistung, die vom Netz bereitgestellt wird, um sowohl die Wirkleistung als auch die Blindleistung abzudecken. Sie wird in Voltampere (VA) oder Kilovoltampere (kVA) gemessen.

Formel:

Der Cosinus Phi (cos⁡𝜑cosφ) wird wie folgt definiert: cos⁡𝜑=𝑃𝑆cosφ=SP

Dabei gilt:

  • 𝑃P ist die Wirkleistung in Watt (W) oder Kilowatt (kW).

  • 𝑆S ist die Scheinleistung in Voltampere (VA) oder Kilovoltampere (kVA).

Bedeutung:

  • Cosinus Phi = 1: Dies ist der ideale Zustand, bei dem alle bereitgestellten Energie in nützliche Arbeit umgewandelt wird, ohne dass Blindleistung vorhanden ist. Das System ist vollständig effizient.

  • Cosinus Phi < 1: Ein Wert kleiner als 1 zeigt an, dass nicht die gesamte bereitgestellte Energie in nützliche Arbeit umgewandelt wird. Ein Teil der Energie wird als Blindleistung verschwendet.

Beispiel:

  • Wenn der Cosinus Phi 0,9 beträgt, bedeutet dies, dass 90% der bereitgestellten Energie in nützliche Arbeit umgewandelt werden und 10% als Blindleistung verloren gehen.

  • Ein niedrigerer Cosinus Phi, z.B. 0,7, bedeutet, dass nur 70% der Energie in nützliche Arbeit umgewandelt werden, während 30% als Blindleistung verloren gehen.


Wenn der Cosinus Phi auf 0,7 absinkt, müssen wir die Berechnung erneut durchführen, um den prozentualen Anstieg der Stromaufnahme im Vergleich zu den ursprünglichen 0,99 zu ermitteln.

Wir verwenden wieder die Beziehung zwischen Wirkleistung (P), Scheinleistung (S), und Cosinus Phi (cos⁡𝜑cosφ).

  1. Initialer Cosinus Phi (cos⁡𝜑1cosφ1​): 0,99

  2. Neuer Cosinus Phi (cos⁡𝜑2cosφ2​): 0,7


Die initiale Scheinleistung (𝑆1S1​): 𝑆1=𝑃0,99S1​=0,99P

Die finale Scheinleistung (𝑆2S2​): 𝑆2=𝑃0,7S2​=0,7P

Der prozentuale Anstieg der Scheinleistung (und damit der Stromaufnahme) wird berechnet durch: Prozentualer Anstieg=(𝑆2−𝑆1𝑆1)×100Prozentualer Anstieg=(S1​S2​−S1​​)×100


Setzen wir die Werte ein:

Prozentualer Anstieg=(𝑃0,7−𝑃0,99𝑃0,99)×100Prozentualer Anstieg=(0,99P​0,7P​−0,99P​​)×100

Vereinfachen wir den Ausdruck:

Prozentualer Anstieg=(0,99𝑃−0,7𝑃0,7×0,99𝑃0,99)×100Prozentualer Anstieg=(0,99P​0,7×0,990,99P−0,7P​​)×100

Prozentualer Anstieg=(0,99−0,70,7)×100Prozentualer Anstieg=(0,70,99−0,7​)×100 Prozentualer Anstieg=(0,290,7)×100Prozentualer Anstieg=(0,70,29​)×100 Prozentualer Anstieg≈41,43%Prozentualer Anstieg≈41,43%


Die Stromaufnahme des BHKWs steigt also um etwa 41,43 Prozent, wenn der Cosinus Phi von 0,99 auf 0,7 absinkt.


Für die Erhöhung der Wellenleistung und des Brennstoffverbrauchs gilt ebenfalls:

  • Da der Strom um etwa 41,43% zunimmt, steigt auch die Wellenleistung (𝑃𝑊PW​) um etwa 41,43%, vorausgesetzt der Wirkungsgrad bleibt konstant.

  • Ebenso muss der Brennstoffverbrauch um etwa 41,43% steigen, um die erhöhte mechanische Leistung zu erzeugen, unter der Annahme, dass der thermische Wirkungsgrad konstant bleibt.


Zusammenfassung:

  • Erhöhung der Wellenleistung: ca. 41,43%

  • Erhöhung des Brennstoffverbrauchs: ca. 41,43%


Welche negativen Auswirkungen hat ein cosphi von 0,7?


Wenn der Cosinus Phi (Leistungsfaktor) dauerhaft auf 0,7 steht, hat dies mehrere negative Auswirkungen auf Ihr BHKW (Blockheizkraftwerk) und das elektrische System. Hier sind die wichtigsten Konsequenzen:


  1. Erhöhte Stromaufnahme:

  • Eine niedrigerer Cosinus Phi bedeutet, dass für die gleiche Wirkleistung (nutzbare Leistung) eine höhere Scheinleistung (Summe aus Wirkleistung und Blindleistung) erforderlich ist.

  • Dies führt zu einer erhöhten Stromaufnahme, was zusätzliche Belastungen für die elektrischen Leitungen, Transformatoren und andere elektrische Komponenten bedeutet.

  1. Höhere Betriebskosten:

  • Die erhöhte Stromaufnahme führt zu höheren Energieverlusten (z.B. Wärmeverluste) in den Leitungen und Geräten.

  • Viele Energieversorger berechnen zusätzliche Gebühren für eine niedrigen Cosinus Phi, da diese mehr Blindleistung bereitstellen müssen, was ihre Infrastruktur belastet.

  1. Erhöhter Brennstoffverbrauch:

  • Um die höhere Scheinleistung bereitzustellen, muss das BHKW mehr mechanische Energie erzeugen, was den Brennstoffverbrauch erhöht.

  • Dies führt zu höheren Betriebskosten und einer geringeren Gesamteffizienz des Systems.

  1. Verschleiß und Wartungskosten:

  • Die erhöhte Stromaufnahme und die damit verbundenen Belastungen können den Verschleiß an elektrischen Geräten und Leitungen beschleunigen, was zu häufigeren Wartungen und kürzeren Lebensdauern der Ausrüstung führt.

  1. Einschränkungen bei der Kapazität:

  • Eine niedrigerer Cosinus Phi reduziert die effektive Kapazität der elektrischen Infrastruktur, da ein größerer Teil der Kapazität zur Übertragung von Blindleistung verwendet wird.

  • Dies kann zu Engpässen und möglichen Überlastungen führen, insbesondere bei Spitzenlasten.

  1. Leistungsqualität:

  • Ein niedriger Cosinus Phi kann zu Spannungsabfällen und einer schlechten Spannungsqualität führen, was die Leistung und Zuverlässigkeit der angeschlossenen Geräte beeinträchtigen kann.


Maßnahmen zur Steigerung


Um den Cosinus Phi zu verbessern und die damit verbundenen negativen Auswirkungen zu minimieren, können Sie verschiedene Maßnahmen zur Leistungsfaktorkorrektur (PFC) ergreifen. Hier sind einige bewährte Strategien:


1. Installation von Kondensatorbänken


Kondensatorbänke kompensieren die induktive Blindleistung und verbessern so den Cosinus Phi. Es gibt verschiedene Arten von Kondensatorbänken:

  • Feste Kondensatoren: Werden in kleineren Systemen oder für konstante Lasten eingesetzt.

  • Automatische Kondensatorbänke: Diese Systeme passen die Kompensation dynamisch an die aktuellen Lastbedingungen an und sind ideal für variable Lasten.


2. Einsatz von Synchronkondensatoren


Synchronkondensatoren sind spezielle Elektromotoren, die ohne Last laufen und durch Einstellen ihrer Erregung die Blindleistung im Netz regulieren können.


3. Aktive Filter


Aktive Filter können nicht nur die Blindleistung kompensieren, sondern auch harmonische Verzerrungen im Netz reduzieren. Sie sind besonders nützlich in Systemen mit vielen nichtlinearen Lasten.


4. Lastmanagement


Optimieren Sie Ihr Lastprofil, um plötzliche Änderungen und hohe induktive Lasten zu vermeiden:

  • Verteilung der Lasten: Verteilen Sie Lasten gleichmäßig über verschiedene Phasen und Zeiten.

  • Zeitliche Steuerung: Schalten Sie große induktive Lasten nacheinander oder außerhalb der Spitzenzeiten ein.


5. Überwachung und Wartung


Regelmäßige Überprüfung und Wartung der elektrischen Anlagen und Geräte ist wichtig:

  • Überwachungssysteme: Nutzen Sie Systeme zur kontinuierlichen Überwachung des Cosinus Phi und der Stromaufnahme.

  • Regelmäßige Inspektionen: Führen Sie regelmäßige Inspektionen und Wartungen durch, um sicherzustellen, dass alle Geräte effizient arbeiten.


6. Schulung und Bewusstsein


  • Mitarbeiterschulung: Schulen Sie Ihre Mitarbeiter im effizienten Umgang mit Energie und sensibilisieren Sie sie für die Bedeutung des Cosinus Phi.

  • Förderung des Bewusstseins: Fördern Sie das Bewusstsein für Energieeinsparungen und die Optimierung des Leistungsfaktors im gesamten Unternehmen.


7. Einsatz von PFC-Reglern


PFC-Regler sind elektronische Geräte, die die Blindleistung aktiv regulieren. Sie sind in der Lage, die Blindleistung in Echtzeit zu überwachen und entsprechende Maßnahmen zu ergreifen, um den Cosinus Phi zu verbessern.


Beispielhafte Maßnahmen:

  • Kondensatorbänke installieren: In einem großen Industriebetrieb könnten automatische Kondensatorbänke installiert werden, die sich dynamisch an die wechselnden Lastbedingungen anpassen.

  • Aktive Filter nutzen: In einem Unternehmen mit vielen elektronischen Geräten und Frequenzumrichtern könnten aktive Filter eingesetzt werden, um sowohl Blindleistung als auch harmonische Verzerrungen zu kompensieren.

  • Lastmanagement optimieren: In einem Bürogebäude könnten große Klimaanlagen und andere induktive Lasten zeitlich versetzt eingeschaltet werden, um Spitzenlasten zu vermeiden.


Durch die Umsetzung dieser Maßnahmen können Sie den Cosinus Phi verbessern, die Stromaufnahme reduzieren und somit den Brennstoffverbrauch und die Betriebskosten senken.

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