Kurze Definition
Der Wirkungsgrad beschreibt, welcher Anteil der zugeführten Energie nach einer Umwandlung oder Speicherung als nutzbare Ausgangsenergie zur Verfügung steht. Er wird üblicherweise in Prozent angegeben:
Wirkungsgrad auf einen Blick
- Ein Wirkungsgrad von 95 Prozent bedeutet, dass 95 Prozent der zugeführten Energie nutzbar abgegeben werden. Die verbleibenden 5 Prozent entfallen auf Verluste innerhalb der betrachteten Systemgrenze.
- Typische Verlustquellen sind elektrische Umwandlungsverluste, Leitungsverluste und Wärmeentwicklung. Standby-Verbrauch, Kühlung und weitere Hilfsverbräuche können je nach Systemgrenze zusätzlich einfließen.
- Bei einem Batteriespeichersystem (BESS) ist insbesondere der Round-Trip-Wirkungsgrad relevant, der den vollständigen Lade- und Entladevorgang betrachtet.
- Wirkungsgradangaben sind nur vergleichbar, wenn sie unter geeigneten und ausreichend ähnlichen Bezugsbedingungen ermittelt wurden.
Wie wird der Wirkungsgrad berechnet?
Für die Berechnung werden zugeführte und nutzbar abgegebene Energie an definierten Messpunkten erfasst. Werden einer Komponente beispielsweise 100 kWh zugeführt und 95 kWh nutzbar abgegeben, beträgt der Wirkungsgrad 95 Prozent. Die Differenz von 5 kWh entspricht den innerhalb der gewählten Systemgrenze erfassten Verlusten.
Bei PV-Wechselrichtern beschreibt der Wirkungsgrad die Umwandlung elektrischer Gleichstromenergie auf der DC-Seite in nutzbare Wechselstromenergie auf der AC-Seite. Der tatsächliche Wert verändert sich unter anderem mit der momentanen Auslastung, der Eingangsspannung und der Temperatur. Der maximale Wechselrichterwirkungsgrad gilt deshalb nur für bestimmte Betriebspunkte und entspricht nicht dem durchschnittlichen Wirkungsgrad über ein Jahr.
Bei einem BESS wird häufig der Round-Trip-Wirkungsgrad betrachtet. Er setzt die nach der Speicherung entladene Energie ins Verhältnis zur zuvor eingesetzten Ladeenergie:
Lade- und Entladeenergie dürfen nur dann direkt ins Verhältnis gesetzt werden, wenn sie einem vollständig zugeordneten Speicherzyklus entsprechen oder der Ladezustand zu Beginn und am Ende ausreichend vergleichbar ist. Andernfalls kann ein Teil der geladenen Energie noch im BESS gespeichert sein oder ein Teil der entladenen Energie aus einem früheren Zeitraum stammen.
Bei einer Auswertung über einen festen Zeitraum muss deshalb die Veränderung der im BESS gespeicherten Energie berücksichtigt werden. Wie diese Korrektur erfolgt, hängt von der Systemgrenze, den verfügbaren Messwerten und der gewählten Berechnungsmethode ab. Eine reine Gegenüberstellung der innerhalb des Zeitraums gemessenen Lade- und Entladeenergie kann bei unterschiedlichen Anfangs- und Endladezuständen zu einem irreführenden Ergebnis führen.
Je nach Systemgrenze kann die Berechnung Verluste der Batteriezellen, des Wechselrichters, eines Transformators und der Leitungen umfassen. Standby-Verbrauch, Kühlung und andere Hilfsverbräuche fließen nur dann in den ermittelten Wirkungsgrad ein, wenn sie innerhalb der festgelegten Systemgrenze liegen und von den vorhandenen Messpunkten erfasst werden. Sie sind eigenständige Energieverbräuche des Systems und nicht pauschal als direkte Umwandlungsverluste zu behandeln.
Neben energiebasierten Wirkungsgraden über einen Zeitraum kann auch das momentane Verhältnis von Ausgangs- zu Eingangsleistung betrachtet werden. Dieses Verhältnis ist vor allem bei ausreichend stabilen Betriebszuständen aussagekräftig. Bei dynamischem Betrieb können Zeitversatz zwischen den Messwerten, Messrauschen und Veränderungen gespeicherter Zwischenenergie die Berechnung beeinflussen. Für eine belastbare Betriebsanalyse sind daher häufig zeitlich integrierte Energiewerte geeigneter.
Typische Anwendungen der Wirkungsgradmessung
Der Wirkungsgrad wird unter anderem eingesetzt, um:
- die Umwandlungsverluste von PV-Wechselrichtern zu bewerten,
- Lade- und Entladeverluste eines BESS zu analysieren,
- Transformatoren und andere elektrische Komponenten zu vergleichen,
- Veränderungen durch Alterung, Temperatur oder abweichende Betriebszustände zu erkennen,
- Energieverluste eines definierten Gesamtsystems zu bilanzieren.
Bei der Betriebsüberwachung kann ein sinkender Wirkungsgrad auf ungünstige Betriebsbedingungen, Messfehler oder technische Veränderungen hinweisen. Eine Abweichung allein belegt jedoch noch keinen Defekt, da beispielsweise Teillastbetrieb, Temperaturänderungen und dynamische Energieflüsse den berechneten Wert beeinflussen können.
Aussagekraft, Grenzen und technische Voraussetzungen
Die Aussagekraft eines Wirkungsgrads hängt wesentlich von der gewählten Systemgrenze ab. Sie legt fest, welche Komponenten und Energieflüsse in die Berechnung einbezogen werden. Ein auf der DC-Seite der Batterie bestimmter Wirkungsgrad ist daher nicht direkt mit einem AC-zu-AC-Wirkungsgrad vergleichbar, der zusätzlich Wechselrichter- und gegebenenfalls Transformatorverluste umfasst.
Ebenso wichtig sind eindeutig definierte Messpunkte, eine ausreichende Messgenauigkeit und die zeitliche Synchronisierung der Messwerte. Bei kleinen Energieflüssen können bereits geringe Messabweichungen das Ergebnis deutlich verändern. Bei dynamischen Systemen können unterschiedliche Erfassungsintervalle oder Zeitstempel zusätzliche Abweichungen verursachen.
Auch Betriebszustand und Auswertungszeitraum müssen berücksichtigt werden. Bei einem BESS hängt der Round-Trip-Wirkungsgrad unter anderem von Lade- und Entladeleistung, Temperatur, Ladezustand, Batterietechnologie, Alterung und Hilfsenergiebedarf ab. Für periodische Auswertungen müssen Lade- und Entladevorgänge zeitlich sowie energetisch korrekt zugeordnet oder Änderungen der gespeicherten Energie bilanziert werden.
Der Wirkungsgrad ist außerdem von der Performance Ratio einer PV-Anlage abzugrenzen. Während der Wirkungsgrad eine definierte Energieumwandlung bewertet, setzt die Performance Ratio den tatsächlichen Ertrag einer PV-Anlage ins Verhältnis zu einem aus der Einstrahlung abgeleiteten Referenzertrag. Sie berücksichtigt damit mehrere Verlustursachen des gesamten PV-Systems und ist kein reiner Umwandlungswirkungsgrad.
Wie kann EcoPhi die Wirkungsgradanalyse unterstützen?
EcoPhi kann Messwerte definierter Ein- und Ausgangspunkte zeitlich zusammenführen und für eine projektspezifische Wirkungsgradanalyse auswerten. Abhängig von der Anlagenkonfiguration können dabei ausgewählte Komponenten oder abgegrenzte Systembereiche über festgelegte Zeiträume betrachtet werden.
Die konkrete Umsetzung hängt von den vorhandenen Messgeräten, der Messgenauigkeit, den verfügbaren Geräteschnittstellen und der gewünschten Systemgrenze ab. Je nach Projekt können eine individuelle Konfiguration der Messpunkte, Berechnungslogik und Darstellung sowie zusätzliche Integrations- oder Engineering-Leistungen erforderlich sein.
Kurze Zusammenfassung
Der Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis von nutzbarer Ausgangsenergie zu zugeführter Energie. Bei einem BESS betrachtet der Round-Trip-Wirkungsgrad einen zugeordneten Lade- und Entladevorgang. Belastbare Ergebnisse setzen eine fachgerechte Bilanzierung und geeignete Messdaten voraus.
Häufig gestellte Fragen zum Wirkungsgrad
Kann ein Wirkungsgrad über 100 Prozent liegen?
Bei einer reinen Energieumwandlung ist ein Wirkungsgrad über 100 Prozent physikalisch nicht möglich. Ein entsprechend berechneter Wert weist meist auf ungeeignete Messpunkte, nicht vergleichbare Bilanzzeiträume, eine unberücksichtigte Veränderung gespeicherter Energie oder Messfehler hin.
Warum kann die Leistungszahl einer Wärmepumpe über 1 liegen?
Die Leistungszahl beziehungsweise der Coefficient of Performance (COP) einer Wärmepumpe kann über 1 liegen, weil die abgegebene Wärme nicht ausschließlich aus der eingesetzten elektrischen Energie stammt. Die Wärmepumpe nimmt zusätzlich Umweltwärme auf. Ein COP über 1 ist deshalb nicht mit einem Wirkungsgrad über 100 Prozent bei einer reinen Energieumwandlung gleichzusetzen.
Was ist der Round-Trip-Wirkungsgrad eines BESS?
Der Round-Trip-Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis der nach der Speicherung entladenen Energie zur zuvor eingesetzten Ladeenergie. Voraussetzung für eine direkte Berechnung ist ein vollständig zugeordneter Speicherzyklus oder ein vergleichbarer Ladezustand am Anfang und Ende der Betrachtung.
Warum ist der Wirkungsgrad nicht immer gleich?
Der Wirkungsgrad verändert sich mit dem Betriebspunkt und den Umgebungsbedingungen. Einflussfaktoren sind beispielsweise Leistung, Spannung, Temperatur, Ladezustand, Alterung und der innerhalb der Systemgrenze erfasste Hilfsenergiebedarf.
Was ist der Unterschied zwischen Wirkungsgrad und Performance Ratio?
Der Wirkungsgrad bewertet eine Energieumwandlung innerhalb einer festgelegten Systemgrenze. Die Performance Ratio bewertet dagegen die Gesamtleistung einer PV-Anlage in Bezug auf die verfügbare solare Einstrahlung.