Nicht der gesamte Strom, der durch die Kabel in einer Anlage fließt, wird auch von den Maschinen verbraucht. Bei Wechselstrom haben Sie es oft mit Blindleistung und dem Kosinus phi zu tun. Blindleistung ist die Leistung, die durch die Kabel fließt, Wärme und Energieverluste verursacht, aber nicht von den Maschinen verbraucht wird. Die Größe der Blindleistung wird durch den Kosinus phi bestimmt. Wie genau funktioniert das? Die Experten von Sensorfact erklären es.
Blindleistung ist also Energie, die durch die Kabel fließt, aber von den Maschinen nicht verbraucht werden kann. Da sie durch die Kabel fließt, nimmt sie einen Teil der Kapazität dieser Stromkabel in Anspruch. Bei hoher Blindleistung kann dasselbe Kabel also weniger nützliche Energie liefern. Außerdem erzeugt die Blindleistung (genau wie die Wirkleistung) Wärme, während sie durch das Kabel fließt. Dies führt zu mehr Energieverlusten bei der Übertragung.
Blindleistung erhöht zwar nicht direkt den Verbrauch in den Geräten, aber sie führt zu höheren Kosten und Energieverlusten bei der Übertragung für die Netzbetreiber. Daher können die Netzbetreiber zusätzliche Kosten für die Blindleistung von Großverbrauchern berechnen.
Der Teil des Stroms, der tatsächlich verbraucht wird, ist der Wirkstrom. Diese wird auf Ihrer Stromrechnung als „normaler“ Energieverbrauch ausgewiesen. Die Blindleistung ist das, was Sie als Großverbraucher auf Ihrer Stromrechnung als Blindleistung finden. In vielen Ländern wird der Kosinus phi ausdrücklich auf der Stromrechnung angegeben.
Blindleistung ist eine Folge einer Wechselstrom Verbindung (AC). Das Stromnetz und viele Fabriken in Europa verwenden Wechselstrom. Bei einer solchen Verbindung schwanken die Spannung (V) und der Strom (I) wie eine Welle zwischen positiven und negativen Werten. Die tatsächliche Leistung (P), die durch die Verbindung fließt, ist dann gegeben durch P = V * I. Im Idealfall sind die Spannung und der Strom genau synchron (oder in Phase), so dass sie immer entweder beide positiv oder beide negativ sind. Das liegt daran, dass die Leistung dann immer positiv ist. In diesem Fall gibt es nur Wirkleistung und keine Blindleistung.
In der Praxis wechseln die Wellen für Spannung und Strom nicht immer gleichzeitig die Vorzeichen. Das kann an einer Vielzahl von Geräten liegen, wie z.B. Transformatoren oder Elektromagneten. Infolgedessen wird die Leistung in manchen Momenten negativ. Diese Momente machen die Blindleistung aus.
Die Leistung, die Sie bei einem Wechselstromanschluss erwarten, bei dem die Spannung und der Strom perfekt synchronisiert sind, wird als Gesamt- oder Scheinleistung bezeichnet. Das Verhältnis von Wirkleistung zu Scheinleistung wird als Leistungsfaktor bezeichnet und durch Kosinus phi ausgedrückt. Der Kosinus phi ist eine Zahl zwischen 0 und 1 und ist somit ein Maß dafür, wie weit Spannung und Strom hintereinander liegen (die Phasenverschiebung). Wenn der Kosinus phi 1 ist, ist die Wirkleistung gleich der Scheinleistung und es gibt somit keine Blindleistung.
Ein Kosinus phi von 0,9 bedeutet, dass die Wirkleistung gleich 0,9 * Scheinleistung ist. Bei einem höheren Kosinus phi kann ein größerer Teil der Gesamtleistung, die durch die Stromleitungen fließt, tatsächlich von den Maschinen verbraucht werden. Infolgedessen wird weniger Übertragungskapazität benötigt (sowohl in der Anlage als auch im Stromnetz) und es gibt weniger Energieverluste bei der Übertragung. Außerdem berechnen die Netzbetreiber Großverbrauchern oft einen Kosinus phi von 0,85 und weniger.
Scheinleistung, Wirkleistung und Blindleistung sind nach der folgenden Formel miteinander verbunden:
(Scheinleistung)² = (Wirkleistung)² + (Blindleistung)²
Auf der Grundlage dieser Beziehung können wir auch die Formeln für die tatsächliche und blinde Leistung, ausgedrückt in Scheinleistung, finden:
Tatsächliche Leistung = Scheinleistung * cos φ
Blindleistung = Scheinleistung * sin φ
Um das Verhältnis zwischen Scheinleistung und tatsächlicher Leistung zu verdeutlichen, wird oft ein Vergleich mit einem Bierglas angestellt. Das Bierglas symbolisiert das Stromsystem. Das Bier ist die Wirkleistung, der Schaum ist die Blindleistung.
Sowohl eine zu hohe Wirkleistung als auch eine zu hohe Blindleistung können das Bierglas zum Überlaufen bringen. An diesem Punkt wird das Stromnetz also überlastet. Eine Verringerung der Blindleistung (der Schaum) kann mehr Platz für die Wirkleistung (das Bier) schaffen, ohne dass ein größeres Glas (mehr Anschlusskapazität) benötigt wird. So kann mehr Energie sinnvoll genutzt werden, ohne dass das Glas überläuft.
Wenn der Kosinus phi zu niedrig ist, entstehen dem Netzbetreiber zusätzliche Kosten, weil er Blindleistung übertragen muss. Je nach Standort verwenden die Netzbetreiber daher möglicherweise eine Untergrenze für den Kosinus phi von 0,85. Ein niedrigerer Kosinus phi verursacht mehr Verschleiß und eine höhere Belastung des Stromnetzes. Die Netzbetreiber können daher weniger Unternehmen mit denselben Anschlüssen versorgen. Größere Transformatoren und mehr Kupfer werden benötigt.
Für verbrauchte Blindleistung mit einem Kosinus phi von weniger als 0,85 berechnen Netzbetreiber in Ländern wie den Niederlanden oft eine zusätzliche Gebühr. Sie zahlen also eine Strafe, wenn Ihr Kosinus phi zu niedrig ist und der Netzbetreiber viel Blindleistung transportieren muss. Auf diese Weise hoffen die Netzbetreiber, Industrieunternehmen dazu zu bewegen, Maßnahmen zu ergreifen, wenn der Kosinus phi zu niedrig wird. Es ist daher von Vorteil, wenn Sie dafür sorgen, dass Ihr Kosinus phi so nahe wie möglich bei 1 liegt. Auf diese Weise können Sie Ihre Verbrauchskapazität selbst erhöhen, ohne einen neuen Anschluss zu benötigen, und Sie riskieren keine Geldstrafe.
In einigen Regionen wie in Flandern verwendet der Netzbetreiber eine Untergrenze für den Kosinus phi. Diese Grenze ist höher als in den Niederlanden. Bereits ab einem Kosinus phi von etwa 0,95 können Großverbrauchern zusätzliche Kosten in Rechnung gestellt werden. Bei einem Kosinus phi von weniger als 0,72 steigen diese Kosten noch weiter an. Außerdem wird in Flandern in Zeiten mit geringem Verbrauch (weniger als 10% der Spitzenleistung in den letzten 12 Monaten, gemessen pro 15 Minuten) eine Mindestmenge an Blindleistung in Rechnung gestellt. Wenn Ihr Stromverbrauch also stark schwankt, können je nach Land zusätzliche Kosten für die Blindleistung anfallen. Ein Grund mehr, Ihren Koinus phi so hoch wie möglich zu halten.
Neben einer Strafe gibt es weitere Nachteile eines niedrigen Kosinus phi oder einer zu hohen Blindleistung:
Blindleistung wird oft durch Maschinen verursacht, die Magnetfelder erzeugen. Transformatoren, Elektromagnete, Elektromotoren, Beleuchtung und Computer können alle den Kosinus phi beeinflussen. In Industriestandorten gibt es oft mehr Maschinen mit starken Magnetfeldern. Daher ist es wahrscheinlicher, dass diese Standorte einen niedrigeren Kosinus phi aufweisen. Bei Anschlüssen in Privathaushalten und Gewerbeimmobilien ist es weniger wahrscheinlich, dass sie einen zu niedrigen Kosinus phi aufweisen. Aus diesem Grund müssen nur Großverbraucher zahlen, wenn der Kosinus phi zu niedrig ist.
Die Divergenz der Spannungs- und Stromwellen wird auch als Phasenverschiebung bezeichnet. Bei einem perfekten Kosinus phi von 1 verlaufen die beiden Wellen genau in Phase; bei einem niedrigen Kosinus phi gibt es eine Phasenverschiebung. Diese Phasenverschiebung ist normalerweise auf die von den Geräten erzeugten Magnetfelder zurückzuführen. Vor allem große Verbraucher mit starken Magnetfeldern leiden unter der Phasenverschiebung.
Nicht jedes Gerät bietet die gleiche Art von Phasenverschiebung. Wir können die Blindleistung in zwei Arten unterteilen: induktive (oder positive) Blindleistung sorgt für eine Vorwärts Phasenverschiebung, während die kapazitive (oder negative) Blindleistung eine Rückwärts Phasenverschiebung bewirkt.
Bei der induktiven Blindleistung wird Strom benötigt, um die Spulen zu magnetisieren, damit die Geräte funktionieren. Dies geschieht zum Beispiel in Elektromotoren und Transformatoren. Diese Leistung wird als induktive Blindleistung bezeichnet. In diesem Fall hinkt der Strom der Spannung hinterher.
Kapazitive Blindleistung entsteht durch kapazitive Lasten, wie z.B. Kondensatoren. Beispiele für Geräte, die kapazitive Blindleistung verursachen können, sind Beleuchtung und Computerkomponenten. Bei kapazitiver Blindleistung läuft der Strom der Spannung voraus.
Induktive und kapazitive Blindleistung haben eigentlich entgegengesetzte Effekte. Sie können also verwendet werden, um sich gegenseitig aufzuheben. Die Größe und Art der Blindleistung eines gesamten Geschäftsgebäudes ist letztlich die Summe aller Arten von Blindstrom im Gebäude. Industrielle Anlagen sind meist von induktiven Blindstrom betroffen.
Zusätzlich zur Phasenverschiebung kann es auch harmonische Blindleistung geben. Dies ist auf Geräte zurückzuführen, die nichtlineare Lasten im Stromnetz erzeugen. Diese Geräte verbrauchen Strom nicht in Form einer gleichmäßigen Sinuswelle, sondern in unregelmäßigen Impulsen. Infolgedessen verzerren sie die Spannungswellen im Stromnetz. Dies wird als Oberschwingungsverschmutzung bezeichnet und verursacht auch Blindleistung. Beispiele für diese Geräte sind LED-Beleuchtung, HLK-Systeme und Computer.
Insgesamt besteht die Blindleistung also aus drei verschiedenen Arten von Blindleistung: induktiv, kapazitiv und harmonisch.
Induktive Blindleistung kann mit einer Kondensatorbank (oder Kondensatorbatterie) kompensiert werden. Eine Kondensatorbatterie kompensiert zum Beispiel die durch Magnetspulen verursachte Phasenverschiebung.
Eine Kondensatorbank liefert kapazitive Blindleistung, die die Phasenverschiebung der induktiven Blindleistung lokal kompensiert. Somit muss diese Blindleistung nicht mehr vom Netzbetreiber übertragen werden. Infolgedessen steigt der Kosinus phi der Verbindung und die Kosten für den Netzbetreiber sinken.
Die Vorteile einer Kondensatorbank auf einen Blick:
Ein statischer VAR-Generator verhindert die Phasenverschiebung, indem er Strom „einspeist“. Der VAR-Generator erkennt den Kosinus phi und ob wir es mit induktiver oder kapazitiver Blindleistung zu tun haben. Da der VAR-Generator den Strom zum richtigen Zeitpunkt einspeist, wirkt er sowohl gegen induktive als auch gegen kapazitive Blindleistung.
Die Energieberater von Sensorfact nutzen eine intelligente Software, um Möglichkeiten zur Steigerung Ihres Kosinus phi und Ihrer Energieeffizienz im Allgemeinen zu ermitteln. Bisher haben unsere Kunden bis zu 10-15% ihrer Energierechnungen eingespart. In Anbetracht der aktuellen Gas- und Strompreise ergibt dies oft ein jährliches Einsparpotenzial von über 100.000 €!
Sind Sie neugierig, wie dies für Ihr Werk funktionieren kann? Fordern Sie noch heute eine unverbindliche Demo an.