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„Kostenlose“ Energien flexibel einspeisen

Text: Ralph Sawallisch, Sieb & Meyer Foto: Sieb & Meyer
Frequenzumrichter können Strom aus diversen erneuerbaren Quellen je nach Bedarf und Betriebsbedingungen effizient und wirtschaftlich ins Netz eineinspeisen, wenn sie über intelligente Steuer- und Regeltechnik verfügen. Auch Abwärme wird so nutzbar.

Im Unterschied zur Photovoltaik oder Geothermie, die sich durch eher träge Zustandsänderungen auszeichnen, ist die Energiegewinnung aus Windkraft äußerst dynamisch und ungleichmäßig. Dafür sorgen unterschiedliche Windstärken, Windböen und Luftturbulenzen. Einspeiselösungen auf Basis von Solarwechselrichtern sind den höheren Anforderungen von Kleinwindenergieanlagen nicht ohne weiteres gewachsen. Produkte für diese Anlagen müssen entsprechend ausgelegt sein. Für einen sicheren Betrieb sind darüber hinaus meist zusätzliche Geräte erforderlich - daraus resultieren vergleichsweise hohe Investitionskosten, die einen wirtschaftlichen Betrieb vom Start weg erschweren.

Genau hier setzt die Entwicklung des Einspeiseumrichters Aeocon von Sieb & Meyer an: Alle für den Betrieb erforderlichen Komponenten - Gleichrichter, Wechselrichter inklusive Potenzialtrennung und Ballastschaltung - sind in einem kompakten Gehäuse bautechnisch und funktionell vereint. Durch den modularen Aufbau lässt sich ein externer Lastwiderstand beim Anlaufen, bei Lastspitzen oder Netzausfall ansteuern.

Dynamische Regelung

Ein weiterer Vorteil des Konzepts liegt in der Regeltechnik, die speziellen Betriebsbedingungen gerecht wird. Aufgrund der sich bei Kleinwindanlagen schnell und dynamisch verändernden Betriebszustände ist der Einspeiseumrichter so konzipiert, dass er neben der Netzeinspeisung auch Teile der Betriebsführung übernimmt.

Die Systemabstimmung mit der Eingabe der passenden Turbinenkennlinie spielt für den Wirkungsgrad jeder Windkraftanlage eine wichtige Rolle. Beim Aeocon ist die Leistungskennlinie wahlweise parametrierbar als Leistung über Drehzahl P(f) oder Leistung über Spannung P(U). Die integrierte Bremsschaltung mit angeschlossenem externen Ballastwiderstand sorgt dafür, dass der Rotor stets gemäß der programmierten Kennlinie geführt wird. Das „Gehirn“ des Umrichters, die explizit auf die Anforderungen von Kleinwindanlagen abgestimmte Steuerung, regelt unter Berücksichtigung der Anlagenkennlinie die variierenden Betriebszustände bei unterschiedlichen Windverhältnissen mit einer hohen Regelgeschwindigkeit.

Die direkte Nutzung des Rotor-Drehzahlsignals aus der Generatorfrequenz und acht Stützstellen, die zur Feinjustage der Regelkennlinie dienen, bewirken eine besonders hohe Regelgüte. Dank des weiten Eingangsspannungsbereichs von 40 bis 340 V (AC) ist eine Einspeisung bereits bei niedrigen Windgeschwindigkeiten - und daher deren effektive Nutzung - möglich. Dies ist bei den bodennäheren Kleinanlagen, die zudem gelegentlich in bebauter Umgebung stehen, ein wichtiger Aspekt. So lässt sich auch im Teillastbereich, in dem Kleinwindanlagen häufig laufen, eine überdurchschnittliche Leistungsausbeute erzielen.

Zusätzliche Sicherheit dank Bremsschaltung

Um Leistungsspitzen durch Windböen oder dem plötzlichen Ausfall des Netzes bei starkem Wind zu begegnen, ist die in der zweiten Gerätegeneration (ab 2012) eingesetzte erweiterte Bremsschaltung imstande, die Turbine möglichst lange gemäß der Kennlinie zu betreiben. Erhöht sich die Leistung jedoch zu stark, setzt die automatische Bremsung der Turbine ein. Die Anlage wird für sechs Minuten auf niedrigster Drehzahl - und damit auf geringster Leistung - gehalten, bevor das Gerät wieder auf Kennlinienbetrieb umschaltet und die Turbine Leistung abgibt.

Auch in kleinen Anlagen zur Nutzung von Wasserkraft, wie zum Beispiel in Wasserwirbel- beziehungsweise Gravitationswasserwirbelkraftwerken oder aber in Mini-Blockheizkraftwerken (BHKW), kann der Einspeiseumrichter Effizienz und Wirtschaftlichkeit spürbar verbessern. Grundsätzlich kann das Gerät immer dann eingesetzt werden, wenn generatorisch erzeugter Strom in Netzstrom umgesetzt werden muss. Dies ist besonders sinnvoll, wenn unterschiedliche Spannungen vom Generator geliefert werden, es sich also um drehzahlvariable Anlagen mit entsprechenden Anwendungsvoraussetzungen handelt: permanentmagneterregter Synchrongenerator (PMG), ein Leistungsbereich von 3 bis circa 15 kW sowie ein Spannungsbereich zwischen 40 und 340 V (AC) und idealerweise einer Nennspannung von 300 V (AC). Hier ist die hohe Dynamik dieser Lösung ein wesentlicher Vorteil.

Energie aus Restwärme

Anlagen mit organischem Rankine-Kreisprozess (Organic Rankine Cycle, ORC) erlangen zur ressourcenschonenden Erzeugung von elektrischer Energie zunehmend Popularität. Die Systeme zur Ab- oder Restwärmenutzung gelten heute als ausgereift und gewinnen weiter an Bedeutung. In diesem thermodynamischen Prozess können Quellen thermischer Energie wirtschaftlich in elektrische Energie umgewandelt werden. So wird beispielsweise die Abwärme von Blockheizkraftwerken dazu genutzt, ein organisches, niedrig siedendes Arbeitsmedium in einem Verdampfer zu erhitzen. Der dadurch erzeugte Druck wird über eine ORC-Turbine entspannt und mittels Generator in elektrische Energie umgewandelt. Mit dem ORC-Verfahren wird so aus Restwärme, die ansonsten ungenutzt bliebe, Elektrizität erzeugt. Mit Wirkungsgraden, die zwischen 9 und 14Prozent liegen, lässt sich der elektrische Wirkungsgrad eines BHKW im Idealfall auf über 50 Prozent steigern. Das ist für die Anlagenbetreiber im Hinblick auf die Amortisation ein ausgesprochen interessantes Ergebnis und für Hersteller von ORC-Anlagen ein Argument. Das Verfahren ist auch prädestiniert für die Verwertung industrieller Prozesswärme. Sie entsteht ohnehin in Verarbeitung und Produktion und kann ohne zusätzlichen Primärenergiebedarf zur Stromerzeugung genutzt werden.

Speziallösungen für ORC-Anlagen

Zur Nutzung von thermischer Energie bedarf es zumeist einer kundenspezifischen Systemauslegung. Speziell für den Einsatz in ORC-Anlagen hat Sieb & Meyer auf Basis des Frequenzumrichters SD2S für synchrone und asynchrone Hochgeschwindigkeitsgeneratoren Einspeiseumrichter zum Betrieb mit hochdrehenden Kompressoren entwickelt. Diese sind auf den Betrieb mit Drehzahlen von 100.000 min -1und mehr ausgelegt und können in Kombination mit weiteren Komponenten den vom Generator erzeugten in netzkompatiblen Strom konvertieren. Im Einsatz sind heute Geräte ab 20 kW. Auch in diesem Bereich ist ein intelligentes Regelverfahren mit hoher Dynamik gefordert. Der Kompressor darf nie frei laufen, denn das würde zum Ausfall führen. Daher muss der Regler sehr schnell auf sich ändernde Betriebszustände reagieren; bei einer Drucksteigerung beispielsweise ist umgehend nachzuregeln. Andernfalls wäre schnell eine Überdrehzahl erreicht, die sich in einem für den Kompressor gefährlichen Bereich bewegen und dessen Funktionalität nicht mehr gewährleisten würde.

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