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Wirkleistung

Über diesen Artikel

Lesezeit

3 Minuten

Veröffentlichung

13.09.2020

Letztes Update

18.08.2022

 

Wirkleistung – Definition, Formeln zur Berechnung und Beispiele aus der Praxis

Inhalt des Wiki-Artikel

Wirkleistung

Die Wirkleistung ist eine über die Schwingungsperiode eines Wechselstroms gemittelte Leistung, die in der Einheit Watt angegeben wird. In Formeln steht das Zeichen P  für die Wirkleistung, die im Englischen „real power“ heißt.

Wirkleistung und Blindstrom

Bei einem Wechselstrom ist es möglich, dass es zu einer Oszillation der elektrischen Leistung kommt, die gerade übertragen wird. Das heißt, es kommt vor, dass in jeder Schwingungsperiode der Spannung die Leistung zunächst in eine Richtung fließt, dann aber die Richtung wechselt. Beispielsweise fließt die Leistung zunächst vom Stromnetz zu einem elektrischen Gerät, dann aber wieder zurück zum Netz. Dieses Phänomen wird Blindstrom genannt, es kann bei Wechsel- und Drehstrom auftreten, nicht aber bei Gleichstrom. Von Stromzählern werden diese Oszillationen nicht erfasst, sie registrieren nur die mittlere gelieferte Leistung, die Wirkleistung. Diese fällt in der Regel geringer aus als die sogenannte Scheinleistung (S), die durch die Multiplikation von elektrischer Spannung (U) und Stromstärke (I) ermittelt wird. Um die Wirkleistung zu berechnen, wird neben der elektrischen Spannung und der Stromstärke oder der Scheinleistung noch der Kosinus des Phasenwinkels benötigt:

P = U · I · cos φ

P = S · cos φ

Der Kosinus wird in diesem Fall auch Leistungsfaktor genannt. Ist der Strom nicht sinusförmig, dann ist der Phasenwinkel der Grundschwingung einzusetzen. Über Stromzähler in Haushalten wird nur die Wirkleistung gemessen und registriert, die tatsächlich bezogene Energiemenge wird verrechnet.1

Blindleistung zur Stabilisierung des Stromnetzes

Der Gegenbegriff zur Wirkleistung ist die Blindleistung, im Englischen „reaction power“. Die Blindleistung wird in der Einheit Var angegeben, ihr Formelzeichen ist das Q. Sie entsteht infolge eines Blindstroms; liegt ein reiner Blindstrom mit einer Phasenverschiebung von 90° vor, wird ausschließlich Blindleistung übertragen, keine Wirkleistung. Ist die Phasenverschiebung geringer, setzt sich der Strom aus Wirkstrom und Blindstrom zusammen, Wirkleistung und Blindleistung werden zur gleichen Zeit übertragen. Mit Hilfe der Wirkleistung und der Blindleistung lässt sich die Scheinleistung berechnen:

S2 = P2 + Q2

Oft sind Blindleistungen unerwünscht und werden kompensiert.2 Doch sie können auch von Nutzen sein und werden absichtlich eingesetzt, zum Beispiel zur Stabilisierung des Stromnetzes. Denn der Strom hat nicht immer die gleiche Spannung, diese wird beispielsweise durch den Transport des Stroms beeinflusst. An der Steckdose muss sie aber immer 230 Volt betragen, sonst wäre der reibungslose Betrieb nicht mehr sichergestellt und es könnten sogar angeschlossene Geräte in Mitleidenschaft gezogen werden.

Damit die Spannung immer auf dem gewünschten Level bleibt, kann an zahlreichen Stellen des Stromnetzes Blindleistung eingespeist oder entnommen werden. Bisher wird die Blindleistung hauptsächlich von großen konventionellen Kraftwerken zur Verfügung gestellt. Doch auch Erneuerbare-Energien-Anlagen, die aus Wind- oder Solarenergie Strom erzeugen, können Blindleistung bereitstellen. Da im Rahmen der Energiewende immer mehr konventionelle Kraftwerke vom Netz gehen, sind Betreiber von Erneuerbare-Energien-Anlagen verpflichtet, gewisse Mengen an Blindleistung zur Einspeisung ins Stromnetz bereitzuhalten.3

Ebenso wie die Wirkleistung muss auch die die Blindleistung jederzeit über eine ausgeglichene Bilanz verfügen. Die wenigsten Spannungsunterschiede liegen in einem Stromnetz vor, wenn Blind- und Wirkleistung an jedem Knoten ausgeglichen sind. Ist das an einem Knoten nicht der Fall, muss die Blindleistung von einer anderen Stelle dorthin übertragen werden, damit die Spannung stabil bleibt. Zu beachten ist, dass die Betriebsmittel mehr belastet werden, wenn die Blindleistung über längere Strecken zum Knoten transportiert werden muss. Infolgedessen sinkt die übertragbare Wirkleistung, während die Übertragungsverluste ansteigen, wodurch sich der Alterungsprozess bei den Betriebsmitteln beschleunigt.4

Wirkleistung bei Windenergieanlagen

Bei Windenergieanlagen spielt die Wirkleistung eine wesentliche Rolle, weshalb sie auch Teil der Verordnung zu Systemdienstleistungen durch Windenergieanlagen (SDLWindV) ist. Unter anderem wurde die Verordnung im Jahr 2011 geändert, aufgenommen wurde eine Regelung, die sich auf Wirkleistung und Blindleistung bezieht. Diese besagt, dass Windenergie-Erzeugungsanlagen hinsichtlich der Bereitstellung von Blindleistung in einem Leistungsbereich, der zwischen 0 und 10 Prozent der installierten Wirkleistung liegt, höchstens 10 Prozent des Betrags der Anschlusswirkleistung PAV – der zwischen Anschlussnehmer und Netzbetreiber vereinbarten Wirkleistung – aufnehmen (untererregter Betrieb) oder abgeben (übererregter Betrieb) darf. Kann die Erzeugungsanlage darüber hinaus mit einer Regelung der verfügbaren Blindenergie betrieben werden, ist die Fahrweise zwischen Netzbetreiber und Anlagenbetreiber abzustimmen. In der SDLWindV ist außerdem festgelegt, dass die Betreiber von Windenergie-Erzeugungsanlagen, die Blindleistung bereitstellen, die Wirkleistung reduzieren dürfen, wenn diese sehr hoch ist.5

Mehr Wirkleistung für den Explosionsschutz

Elektrische Geräte, die in explosionsgefährdeten Arealen betrieben werden, müssen besonders geschützt werden, um das Risiko einer Entzündung so gering wie möglich zu halten. Zum Beispiel sorgt man dafür, dass keine zündfähigen Funken entstehen können – dieses Konzept wird Eigensicherheit genannt. Früher konnten eigensichere Geräte nur um die 2 Watt Wirkleistung umsetzen, doch inzwischen lässt sich die Wirkleistung dank der DART-Technologie auf bis zu 50 Watt steigern. DART ist die Abkürzung für Dynamic Arc Recognition and Termination. Die Technologie arbeitet ähnlich einem Notschalter, über Änderungen des Stroms erkennt sie sich anbahnende Störfälle, wie zum Beispiel einen sich öffnenden Stromkreis, und schaltet dann direkt die Versorgung ab, um zu verhindern, dass zündfähige Funken entstehen. Die maximal erlaubte Wirkleistung bei einem Gerät ist unter anderem von der Länge der Leitung abhängig, da diese die Laufzeit des Stroms beeinflusst, sie kann zwischen 8 und 50 Watt liegen.6

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