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Thermische Leistung

Über diesen Artikel

Lesezeit

3 Minuten

Veröffentlichung

21.10.2020

Letztes Update

11.05.2022

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  • Thermische Leistung

Thermische Leistung – Definition, Berechnung, Bedeutung für die Stromerzeugung

Inhalt des Wiki-Artikel

Thermische Leistung berechnen – Bedeutung für Wärme- und Stromerzeugung

Die thermische Leistung gibt an, wie viel Wärmeenergie in einer bestimmten Zeitspanne umgesetzt wird. In Formeln wird die physikalische Größe durch Pth dargestellt, gemessen wird sie in der Einheit Watt (W). Meist wird die Leistung von Wärmequellen mit einem Vielfachen des Watts angegeben, nämlich in Kilowatt (kW) oder Megawatt (MW). Mit Hilfe der thermischen Leistung lässt sich der Wärmefluss beschreiben. Dieser wird auch Wärmestrom genannt und bezeichnet die Menge an Wärmeenergie, die in einer festgelegten Zeit übertragen wird.1

Wie berechnet man die thermische Leistung?

Um die thermische Leistung zu berechnen, wird die abgegebene, also nutzbare Wärme Qab einer Wärmequelle sowie die Zeit t benötigt. Die Formel zur Berechnung lautet:

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Die thermische Leistung kann dann zum Beispiel genutzt werden, um den Volumenstrom von Heizwasser zu bestimmen. Der Heizwasservolumendurchfluss (HWD) wird in Liter pro Stunde (l/h) angegeben. Neben der Wärmeleistung sind die Temperaturspreizung, das ist die Differenz zwischen der Wassertemperatur im Vorlauf und der im Rücklauf der Heizung, und der Festwert 1,163 für den spezifischen Wärmeinhalt erforderlich, um den Volumendurchfluss zu berechnen:

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In der Wärmeversorgung ist der Grundpreis in der Regel auf den Heizwasservolumendurchfluss bezogen.2

Thermische Leistung bei einem Dampferzeuger

Dampf, der in einem Kraftwerk durch einen Dampferzeuger entsteht, enthält Energie. Die Höhe der Gesamtenergie ist abhängig von der Dampfmenge, der Temperatur und dem Druck. Die thermische Leistung eines Dampferzeugers wird bestimmt, indem vom Wärmeinhalt des verwendeten Brennstoffes die Verluste durch Abgas und Wärmeübertragung in die Umgebung abgezogen werden. Das Ergebnis kann genutzt werden, um weitere Größen zu berechnen. So lässt sich beispielsweise der Wirkungsgrad des Dampferzeugers über das Verhältnis von thermischer Leistung zu chemischer Energie des Brennstoffs ermitteln. Auch bei der Bestimmung des theoretischen Gesamtenergiepotenzials wird die thermische Leistung berücksichtigt, etwa wenn die für ein Dampfkraftwerk nötige Kühlung berechnet wird. Neben den Verlusten, die durch Abgas, Abstrahlung, Wärmeleitung und Konvektion verursacht werden, treten auch welche bei der Übertragung auf, so dass eine komplette Nutzung des Wärmestroms in der Praxis nicht möglich ist.3

Geothermische Stromerzeugung

Unter der Erdoberfläche ist geothermische Energie gespeichert, die teils noch aus der Entstehungszeit der Erde stammt und teils auf den radioaktiven Zerfall verschiedener Isotope in der Erdkruste zurückgeht. Diese Energie nutzen Geothermiekraftwerke sowohl zur Wärme- als auch zur Stromerzeugung. Zur Erschließung der geothermischen Energie werden offene oder geschlossene Systeme wie Erdwärmesonden eingesetzt. Tiefe Erdwärmesonden werden gewöhnlich nur zur Wärmeerzeugung genutzt, da sowohl die erzielbare thermische Leistung als auch die Temperatur geringer als bei offenen Systemen ausfallen. Beides ist für die Stromerzeugung von Nachteil.

Für die Erzeugung von elektrischer Energie und auch Wärme kommen offene Systeme wie zum Beispiel ein Aquifer als hydrothermales System zum Einsatz. Ein Aquifer ist ein Gesteinskörper mit Hohlräumen, der Grundwasser weiterleiten und abgeben kann, weshalb er auch Grundwasserleiter genannt wird. Der Aquifer kann beispielsweise als geothermische Dublette mit einer Förder- und einer Injektionsbohrung genutzt werden. Höhere thermische Leistungen können allerdings mit einer Triplette erreicht werden, bei der in der Regel mit einer Injektions- und zwei Förderbohrungen gearbeitet wird. Größere hydrothermale Systeme sind theoretisch möglich. In Deutschland wurden bislang Dublettensysteme, unter anderem in Unterhaching und Neustadt-Glewe, und ein Triplettensystem in Sauerlach verwirklicht.4

Wirtschaftlichkeit von Blockheizkraftwerken

Ein Blockheizkraftwerk, kurz BHKW, erzeugt aus gasförmigen, flüssigen oder festen Energieträgern Strom und Wärme. Dabei arbeitet es nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), so dass bis zu 95 Prozent der eingesetzten Energie in Strom beziehungsweise Wärme transformiert werden. Zugleich wird weniger CO2 als bei der konventionellen Erzeugung verursacht. Damit BHKW wirtschaftlich sind, müssen allerdings gewisse Voraussetzungen erfüllt sein. Zu berücksichtigen sind die Anschaffungskosten für das Blockheizkraftwerk sowie für zusätzliche Komponenten wie einen Spitzenlastkessel oder einen Wärmespeicher. Dazu kommen die Verbrauchs- und Betriebskosten.

Außerdem spielt die Laufzeit eine entscheidende Rolle. Im Durchschnitt transformieren Blockheizkraftwerke 40 Prozent der eingesetzten Energie in elektrische und 50 Prozent in Wärmeenergie. Im Sinne der Wirtschaftlichkeit muss ein BHKW eine hohe jährliche Laufzeit erreichen, denn je mehr Betriebsstunden erreicht werden, umso geringer sind die Erzeugungskosten, da sich das Investierte auf eine größere Menge Strom und Wärme verteilt. Da im Sommer jedoch ein wesentlich geringerer Wärmebedarf als im Winter besteht, sind Blockheizkraftwerke oft so aufgestellt, dass sie nur einen gewissen Prozentsatz der Spitzenwärmeleistung abdecken. Als Faustregel lässt sich festhalten, dass die thermische Leistung eines BHKW etwa 10 bis 30 Prozent der erforderlichen Wärmeleistung eines zu versorgendes Objektes betragen sollte.

Bei der Einschätzung der Wirtschaftlichkeit sind auch die Erlöse einzubeziehen, die sich aus Einspeisevergütung oder Stromverkauf und dem KWK-Zuschlag ergeben. Wie sich berechnen lässt, ob ein BHKW wirtschaftlich arbeitet, ist beispielsweise in den VDI-Richtlinien 2067 und 6025 festgehalten. Das Verhältnis von nutzbarer Wärme und Strom, die ein Blockheizkraftwerk erzeugt, also von thermischer Leistung zu elektrischer Leistung, gibt die Stromkennzahl an. Bei kleinen und mittelgroßen BHKW liegt die Stromkennzahl häufig zwischen 0,5 und 0,6, bei einem Gesamtwirkungsgrad von 0,8 bis 0,9.5

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