Was versteht man unter Volllast, Teillast und Nulllast?

Definition

Als Volllast bezeichnet man den Betrieb einer Maschine zur Erzeugung kinetischer Energie mit maximaler Leistung. In der Stromerzeugung handelt es sich dabei meist um Verbrennungsmaschinen in Form von Kolbenmotoren oder Turbinen – allerdings kann auch ein Elektromotor in Volllast betrieben werden; bei Fahrzeugen wird umgangssprachlich von Vollgas gesprochen. Werden Motor oder Turbine mit weniger als der vollen Leistung betrieben, so laufen sie in Teilllast. Nulllast bedeutet, dass der Motor keine Leistung erbringt – er also abgeschaltet ist oder im Leerlauf läuft oder ausgekuppelt ist, in jedem Fall aber keine kinetische Energie an Getriebe, Generatoren etc. abgibt.

Abschied vom Volllastparadigma in der Stromerzeugung?

Über Jahrzehnte hinweg kannte das Stromsystem nur eines: Volllast in der Erzeugung, das Fahren der Stromerzeugungsanlagen "auf Strich". Konventionelle Kraftwerke, speziell Atomreaktoren, sind genau auf diese Fahrweise ausgelegt. Nicht erst zum 20. Jahrestag des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) ist jedoch zu konstatieren, dass diese Zeiten im Stromsystem durch die volatile Einspeisung aus Sonne und Wind definitiv vorbei sind.

Stromerzeugungsanlagen müssen sich heute flexibel mit "Luft" in der Erzeugungsleistung sowohl nach unten als auch nach oben dem Lastzustand im Netz anpassen, der wiederum zunehmend von der volatilen Einspeisung von Windkraft und Photovoltaik geprägt ist. Eine Stromerzeugungsanlage gleich welchen Typs, die ihr wirtschaftliches Optimum nur bei Volllast erreicht, kann in diesem Stromsystem nicht mehr optimal arbeiten. Aufgrund der großen Bedeutung der Erneuerbaren Energien im Stromsystem bewegen wir uns daher klar in Richtung eines teillastbasierten Stromerzeugungssystems, wo die Volllast weder das Optimum noch das Maß aller Dinge darstellen kann. Diesem Gedanken folgend scheint es notwendig zu sein, das technische und wirtschaftliche Optimum der stromerzeugenden Aggregate immer mehr vom Volllastbetrieb hin zum Teillastbetrieb zu verschieben - was durch Anpassungen in Bauweise und Parametrisierung möglich ist.

Einfluss des Lastzustands auf Wirkungsgrade in BHKW

Der Lastzustand eines BHKWs ist nicht mit dessen Wirkungsgrad gleichzusetzen. Dieser hängt stark vom Motorentyp und den Betriebsbedingungen ab. Entscheidend ist hier die Korrelation von Auslastung, Drehzahl, der Größe und Art des Motors sowie die Betriebstemperatur. Heutige Motoren erreichen hohe Wirkungsgrade in der Regel mit einer hohen Auslastung nahe der Volllast, dies kann allerdings zu stärkerem Verschleiß führen. Teilllast und Leerlauf haben bei heutigen Motoren häufig schlechtere Wirkungsgrade, da der Brennstoffverbrauch in Relation zur erzeugten Energie höher ist – der Verschleiß ist allerdings geringer. Der optimale Betriebszustand im Spannungsfeld zwischen Leistung, Verschleiß und Verbrauch ist für jeden Motor und jede Turbine individuell festzulegen. Abzulesen ist dies an Leistungs-, Drehmoment- und anderen Optimumskurven, welche die Lastzustände auf dem Prüfstand abbilden.

Gleichzeitig spielt aber auch die Drehzahl eine wichtige Rolle. Ist sie für die gewünschte Leistung zu hoch, verringert sich auch der Wirkungsgrad. Wer schon einmal versucht hat, mit einem Auto im ersten Gang 50 km/h zu fahren, kennt das Phänomen – mit einer Menge Lärm, hohem Verschleiß und überproportionalem Verbrauch arbeitet der Motor hier definitiv nicht im optimalen Bereich durch das Missverhältnis von Geschwindigkeit und Gangstufe. Auch die Größe des Motors spielt beim Wirkungsgrad auch eine entscheidende Rolle. Bei größeren Motoren kommt es zu weniger Leistungsverlusten. Das Verhältnis von Volumen und Oberfläche des Brennraums sorgt für geringere Wärmeverluste, sodass der Betrieb effizienter ist. Zudem sorgt die größere Dimensionierung für weniger Reibungsverluste. Die Faustregel „mehr Hubraum im Verhältnis zur Leistung gleich mehr Lebensdauer“ hat auch heute noch ihre Berechtigung, da diese Motoren weniger stark verdichten müssen und so mit geringeren Arbeitsdrücken arbeiten können.

Was die unterschiedlichen Wirkungsgrade angeht, so weisen Ottomotoren Wirkungsgrade von 35-40 Prozent auf, während Dieselmotoren bis 50 Prozent aufweisen können. Schiffsmotoren hingegen haben Wirkungsgrade von bis zu 55 Prozent. Des Weiteren unterscheiden sich die Wirkungsgrade auch nach Einsatztyp. Während BHKWs ihren besten Wirkungsgrad nahe der Volllast bei hohem Drehmoment besitzen, liegt der beste Wirkungsgrad bei Automotoren im Teilllastbereich. Mit den steigenden Anforderungen an die Flexibilisierung von Stromerzeugungsanlagen mit BHKW gehen viele Motorenhersteller aber auch dazu über, die BHKW nicht nur für den „Nahe-Volllastbereich“, sondern auch für den Teillastbereich zu optimieren. Heutige BHKW in der Biogasbranche arbeiten in der Regel als Fremdzündungsmotoren mit Zündkerzen und lassen sich ähnlich wie Fahrzeugmotoren für bestimmte Lastzustände optimieren.

Diese motorentechnischen Aspekte geben aber noch keine Auskunft darüber, wie lukrativ der Betrieb eines BHKWs in den verschiedenen Betriebsarten ist. Dies hängt davon ab, ob das BHKW strompreisgeführt betrieben wird, wie groß die Spreads am Strommarkt sind, ob es andere Erlösmöglichkeiten wie etwa die Bereitstellung von Regelleistung gibt (und wie die Preise an diesem Markt sind) oder ob es auch Wärmelieferungsverpflichtungen gibt. Weitere Aspekte, die darüber entscheiden, wie lukrativ der Betrieb ist, sind etwa die Anforderungen, wie häufig ein BHKW seine Last ändert, wie gut und schnell der Motor auf Lastwechsel reagieren kann und wie hoch etwaige Wartungskosten durch Mehr- oder Minderverschleiß sein können. Mit heutiger Motorentechnik lässt sich, im Unterschied zu früher, bei vertretbarem Verschleiß eine deutlich höhere Anzahl von Starts und Stopps sowie Lastwechseln realisieren als früher.

Volllast, Teillast und das Optimum des Wirkungsgrads

Turbinen in Großkraftwerken sind, genau wie BHKW-Motoren, Wärme-Kraft-Maschinen – nur im viel größeren Maßstab, ohne Kolben und über einen Umweg: Sie werden nicht direkt mit dem Brennstoff betrieben, sondern über Dampf aus einem Dampferzeuger, welcher Wasser unter der Energiezufuhr des Brennstoffs (Kohle, Öl, Gas, Brennstäbe) in Hochdruckdampf umwandelt. Die Leistung der Turbine wird über den Dampfdurchsatz reguliert; der Dampf strömt auf die Turbinenschaufeln und versetzt diese in Rotation. Auch Kraftwerksturbinen können in Volllast, Teillast und Nullllast fahren – allerdings ändert sich mit dem Dampfdurchsatz auch der Wirkungsgrad. Denn die Dampfturbine hat, genau wie der BHKW-Verbrennungsmotor, ein klar definiertes Leistungsoptimum.

Dieses Optimum, welches nicht der vollen technisch möglichen Leistungsfähigkeit der Turbine entsprechen muss, ist das Volllastoptimum der Stromerzeugungsanlage. Alle Lastzustände darunter und darüber gehen zu Lasten des Wirkungsgrades und äußern sich in Mehrverbrauch von Brennstoff und/oder höherem Verschleiß. So lassen sich Kernreaktoren auch mit 105 oder 110 Prozent Leistung fahren – jenseits von Kriegsschiffen unter Gefechtsbedingungen ist dies aber weder empfehlenswert noch üblich. Das Problem des Wirkungsgradoptimums verdeutlicht aber auch, warum die flexible Anpassung der Turbinenleistung an unterschiedliche Netzzustände in alten Großkraftwerken eher unbeliebt ist – sie geht zu Lasten der Wirtschaftlichkeit und wird daher häufig erst im Zuge von bauseitigen Modernisierungen realisiert. Erneuerbare Energien hingegen, wo Volllast - ausgenommen bei der Bioenergie und bei Pumpspeicherkraftwerken - eher ein theoretischer Wert ist, haben hier einen klaren Vorteil: Änderungen der Lastzustände aufgrund wechselnder Wettereinflüsse gehen hier nicht zu Lasten des Wirkungsgrades, sondern sind teils konzeptionelle, teils inhärente Merkmale, etwa bei Photovoltaik und Windkraft.

Volllaststunde

Der Begriff Volllaststunde ist eine Maßeinheit, mit der man den Nutzungsgrad einer Anlage angibt. Da Anlagen in der Regel nicht das ganze Jahr über unter Volllast laufen, sondern mitunter nur im Teillastbetrieb arbeiten oder zur Wartung abgeschaltet werden, gibt man die im gesamten Jahr umgesetzte Arbeit in Volllaststunden an.

Die maximale Anzahl an Volllaststunden beträgt pro Jahr 8760 Stunden (365 Tage mit jeweils 24 Stunden). Volllaststunden variieren je nach Anlagentyp, Wetterbedingungen des jeweiligen Jahres oder anlagenspezifischen Restriktionen. Laut BDEW sind 2016 folgende Volllaststunden für die jeweiligen Energieträger entstanden:

Energieträger Volllaststunden
Kernenergie 7410
Braunkohle 6580
Biomasse 5730
Steinkohle 3670
Wind offshore 3250
Lauf- und Speicherwasser 3610
Erdgas 2720
Wind onshore 1.530
Öl 1100
Pumpspeicher 950
Photovoltaik 940
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