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Donnerstag, 20. April 2017, Ausgabe Nr. 16

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Energienetze

Unter Strom

Von C. Klingler-Deiseroth | 20. April 2017 | Ausgabe 16

Die Energiewende und die Zunahme von Leistungselektronik in automatisierten Anlagen erfordern ein Umdenken. Rückwirkungen auf das Netz werden zum Risiko.

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Foto: BMW Group

Unter Strom: Insbesondere in Verbindung mit der Elektromobilität könnten sich Gleichstromnetze auch für die Produktion rechnen – hier das Handling von Batterien.

Geräte mit Leistungselektronik wie etwa Frequenzumrichter, verursachen Oberschwingungen und verzerren die Spannung. Das wird nun zum Problem. Denn die Anzahl dieser Geräte in der Industrie nimmt zu und damit die Bedeutung des Themas. In den Fokus rücken dabei Gleichstromnetze, obwohl Wechselstrom den Energiemarkt seit Ende des 19. Jahrhunderts dominiert. George Westinghouse ging damals mit seiner Idee der zentralen Kraftwerke und Wechselspannung als „Sieger des Stromkriegs“ gegen Thomas Alva Edison hervor. Letzterer favorisierte dezentrale Inselnetze mit Gleichspannung (siehe Kasten auf Seite 24).

Darum wächst das Interesse an Gleichstrom

Auch heute haben beide Systeme ihre Vor- und Nachteile. Während Strom mit Wechselspannung über weite Strecken relativ verlustfrei übertragen werden kann, könnte eine Gleichspannung in der Produktion mehr Netzsicherheit bringen, Systemkosten reduzieren oder effizientere Produktionsanlagen ermöglichen. Immerhin verbrauchen elektrische Antriebssysteme rund 70 % der in der deutschen Industrie genutzten Energie. Deutlich senken kann den Verbrauch nach Ansicht von Experten der Einsatz von Energiesparmotoren (um etwa 10 %) und vor allem einer elektrischen Drehzahlregelung (30 %).

Zum Regeln der Drehzahl kommen jedoch Frequenzumrichter zum Einsatz, die Netzrückwirkungen erzeugen und die Spannung verzerren können. Konkreter sind es die Gleichrichter der Leistungselektronik, die Wechselspannung in Gleichspannung umwandeln und dabei Oberschwingungen im Netz bewirken. Um die Spannungsverzerrung innerhalb zulässiger Werte zu begrenzen, gibt es daher passive und aktive Filter – auch zum Nachrüsten. Nur: Die Anzahl an Geräten mit Leistungselektronik am Netz wie Frequenzumrichtern, Schaltnetzteilen, LED-Leuchten, PCs und Monitoren steigt. Damit wächst auch die Notwendigkeit, die Qualität der Versorgungsspannung sicherzustellen.

Gerätenormen legen für unterschiedliche Produktgruppen Grenzwerte fest, welche die Hersteller einhalten müssen. Doch ganz so einfach scheint es nicht zu sein. „Es gibt für Oberschwingungen einfach keine universelle Lösung, die in allen Installationen immer gut passt“, sagt Christian Mieslinger, Manager des EMV Solution Centers bei Danfoss. Vielmehr komme es auf die Anlagenarchitektur, Transformatoren, Kabellängen, Netzimpedanz und die Netzvorbelastung durch andere Verbraucher an. „Erfahrungsgemäß müssen wir das alles kennen, um eine technisch und ökonomisch sinnvolle Lösung auszuarbeiten“, so Mieslinger. Eine Netzanalyse oder zumindest eine Bestandsaufnahme der Betriebsmittel und Anlagentopologie seien erste Maßnahmen.

Für die Spannungsqualität einer Produktionsstätte ist aber auch der Betreiber verantwortlich. Meist ist er sich dessen nicht wirklich bewusst, da er vielleicht noch keine Probleme hatte und die Zusammenarbeit mit dem Netzbetreiber sowieso über den Elektroinstallateur geschieht.

„Ein Betrieb muss dem Netzbetreiber nicht nur die Gesamtleistung, sondern auch Anzahl, Leistung und Anlaufverhalten seiner leistungsstärkeren Motoren sowie die Leistung seiner Frequenzumrichter melden“, sagt Steffen Götz, Leiter des Bereichs Versorgungsqualität bei der LEW Verteilnetz GmbH (LVN) in Augsburg. „Erst dann können wir den Netzanschluss passend auslegen und die Spannungsqualität nach EN 50160 an der Übergabestelle zur Kundenanlage einhalten.“

Pflichten des Anschlussnehmers oder -nutzers sind in der Niederspannungsanschlussverordnung (NAV) festgeschrieben. „Laut NAV müssen zusätzliche Verbrauchsgeräte gemeldet werden, sofern sich die vorzuhaltende Leistung erhöht oder mit Netzrückwirkungen zu rechnen ist“, hebt Götz hervor. Die Leistungsgrenzwerte hingegen sind in den Technischen Anschlussbedingungen (TAB) beschrieben. Werden nun sukzessive Frequenzumrichter oder andere Geräte mit Leistungselektronik in Betrieb genommen, sollten sich Anlagenbetreiber für ihre Netzspannung interessieren. Immerhin bleiben Rückwirkungen ins öffentliche Netz nicht unbemerkt.

Noch ist es mit den Oberschwingungen nicht so dramatisch. Aber das Thema gewinnt an Bedeutung, besonders für die Industrie. Schon im Jahr 2014 haben der Branchenverband ZVEI sowie die Unternehmen Bauer Gear Motor, Bosch Rexroth, Danfoss, Lenze, SEW Eurodrive und Siemens die neuen Herausforderungen einer alternativen Gleichspannungsversorgung für die Industrie untersucht.

„Für die Studie haben wir auch Anwender von Frequenzumrichtern befragt“, sagt Karl-Peter Simon, Vorsitzender des ZVEI-Fachbereichs Elektrische Antriebe und Geschäftsführer von Bauer Gear Motor. Dabei habe sich herausgestellt, dass die Automobilindustrie durch den zunehmenden Einsatz von Frequenzumrichtern vermehrt Aufwendungen tätigen muss, um ihr Stromnetz stabil zu halten. „Sogar die Lebensdauer der Umrichter wurde beeinträchtigt“, hebt Simon hervor. Im Nachfolgeprojekt DC-Industrie (siehe Beitrag rechts), das im Juli 2016 startete und über drei Jahre veranschlagt ist, soll nun ein gleichstrombasiertes Smart Grid für industrielle Anlagen aufgebaut und getestet werden.

Damit ist die Thematik der Oberschwingungen nicht vom Tisch. Ziel ist nun eine zentrale Lösung. „Für das Gleichstromnetz übernimmt ein zentraler Gleichrichter die aktive Netzfilterung und speist Gleichspannung mit entsprechender Qualität ein,“ sagt Simon. Ein Vorteil wäre, dass in jedem einzelnen Umrichter Filter und Gleichrichter eingespart werden können. Frequenzumrichter bräuchten dann weniger Komponenten, könnten kleiner gebaut oder sogar in Motoren integriert werden. „Warum also nicht das Problem an der Wurzel packen und die Netzstruktur überdenken“, räumt Simon ein. So kommt vielleicht doch noch das Konzept von Edison zu Ehren.

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