DE4421914A1

DE4421914A1 - Einrichtung zur Verbesserung des Leistungsbezugs eines Verbrauchers

Info

Publication number: DE4421914A1
Application number: DE19944421914
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl In Baderschneider; Kurt Dipl Ing Krueger; Michael Dr Ing Weinhold
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1994-06-24
Filing date: 1994-06-24
Publication date: 1996-01-04

Description

1) Problemstellung

Bei kleineren Energieverteilungsnetzen und Industriebetrieben existieren hinsichtlich der Ener gieversorgung folgende drei Problemkreise:

a) Wirkleistungsspitzen

Die vom übergeordneten EVU bezogene Wirkleistung ist nicht konstant und weist insbesondere tagsüber hohe Spitzen auf. Da sich ein Teil der Stromkosten aus der bereitgestellten Wirklei stungsspitze ergibt (Leistungspreis, etwa 200-300 DM/kW), ist es aus wirtschaftlichen Gründen erstrebenswert, Wirkleistungsspitzen zu vermeiden. Eine einfache Abhilfe ist z. B. der zeitlich versetzte Betrieb einzelner Lasten. Bei größeren Kunden lohnt sich dazu der Einsatz eines Ener gie-Management-Systems (Lasten werden z. B. Computer-gesteuert ein- und ausgeschaltet). Falls allerdings Prozesse unbedingt parallel ablaufen müssen, kann die Wirkleistungsspitze aus Sicht des Verknüpfungspunktes mit dem übergeordneten EVU nur dadurch gesenkt werden, daß aus einem eigenen Energiespeicher Wirkleistung zur Verfügung gestellt wird.

b) Blindleistungsbedarf

Mit dem übergeordnetem EVU ist ein Verschiebungsfaktor (zumeist auch "Leistungsfaktor" ge nannt) cos phi vereinbart, der im Mittel über ein bestimmtes Zeitintervall nicht unterschritten werden darf. Der Transport von kapazitiver oder induktiver Blindleistung trägt nämlich nichts zur Energieversorgung bei, sondern führt lediglich zu einer unnötig hohen Strombelastung der Energieübertragungs-Betriebsmittel (Transformatoren, Kabel etc.).

c) Netzrückwirkungen

Niederpulsige Stromrichter, insbesondere ungesteuerte Gleichrichter mit kapazitiver Glättung, entnehmen dem Netz Oberschwingungs-behafteten Strom. Die Oberschwingungsströme rufen an den Netzimpedanzen Spannungsabfälle hervor und führen dadurch zu nicht-sinusförmigen Netzspannungen. Diese können den Verträglichkeitspegel anderer Verbraucher überschreiten und zu Notabschaltungen oder sogar Schädigungen von Betriebsmitteln führen. Außerdem kann das mit dem übergeordnetem EVU vereinbarte zulässige Ausmaß an Netzrückwirkungen über schritten werden.

Da immer mehr niederpulsige Stromrichterlasten an das Netz geschaltet werden, wird die Proble matik der Netzrückwirkungen in Zukunft ein immer größeres Problem werden.

2) Bisherige Problemlösung a) Wirkleistungsspitzen

Einsatz von Dieselgeneratoren.

b) Blindleistungsbedarf

Kondensatorbänke, übererregt gefahrene Generatoren (falls vorhanden), statische Kompensa toren.

c) Netzrückwirkungen

Heutzutage sind auf einzelne Oberschwingungen abgestimmte Filterkreise (z. B. Saugkreise, Hochpässe) noch die wirtschaftlichste Lösung. Diese bestehen im wesentlichen aus Kondensato ren, Induktivitäten und Widerständen und stellen darüber hinaus auch Blindleistung zur Verfü gung.

3) neue Erfindung: Power Conditioner

Ideal wäre eine Gerät (nachfolgend "Power Conditioner" genannt), welches im eigenen Netz an geeigneter Stelle zugeschaltet wird und nach jeweiligem Bedarf einzelne oder alle der unter 1a)-c) vorgestellten Probleme wirtschaftlich und umweltfreundlich reduziert. Der Power Conditioner ist Gegenstand der Erfindung.

Das neue Gerät sorgt (a) für einen ausgeglicheneren Wirkleistungsbezug und vermeidet aus Sicht des PCCs (Point of Common Coupling = Verknüpfungspunkt mit übergeordnetem EVU-Netz) Wirleistungsspitzen. Die dazu benötigte Energie wird während Schwachlastzeiten, z. B. nachts zum preiswerten Tarif, aus dem übergeordneten Netz entnommen. Es stellt (b) Blindleistung für die eigenen Verbraucher zur Verfügung (oder nimmt Blindleistung auf) und steigert damit den cos phi und es saugt (c) die von den eigenen Verbrauchern in Richtung Netz ausgesandten Rück wirkungen in Form von Oberschwingungsströmen zum Großteil ab ("recyclen" von Oberschwin gungen).

Durch diese Betriebseigenschaften wird das eigene Netz aus Sicht des übergeordneten EVUs (bzw. des PCCs) netzfreundlicher. Die Kosten für den Betrieb der elektrischen Geräte im eigenen Netz werden gesenkt, falls die Kosten für den Power Conditioner geringer als die durch die ihn verursachten Einsparungen sind.

Der Power Conditioner besteht im wesentlichen aus folgenden Komponenten (ein Ausführungs beispiel ist in der Anlage enthalten):

- Netzfilter (z. B. LCL-Filter)
- Netzstromrichter (z. B. IGBT-Pulsstromrichter)
- Zwischenspeicher (z. B. Zwischenkreiskondensator)
- Energiespeicher (z. B. elektro-mechanischer oder elektro-chemischer Speicher)
- Meßeinheit(en)
- Regel- und Steuer-Einheit(en)

Zu beachten ist, daß der Power Conditioner Energie bereitstellt, ohne umweltschädigende Ab gase zu erzeugen. Dies ist ein deutlicher Vorteil gegenüber den zur Zeit noch vielfach verwende ten Dieselgeneratoren zur Abdeckung von Wirkleistungsspitzen.

Der Power Conditioner könnte auch auf anderen Gebieten (z. B. USV-Anlagen, Bahnstromver sorgung) Verwendung finden. Generell ist er überall dort interessant, wo ausgeprägte kurzzeitige Lastspitzen entstehen und/oder Blindleistungsbedarf besteht und/oder Netzrückwirkungen redu ziert werden müssen.

4) Anlagen

Bericht über ein Ausführungsbeispiel.

Verbesserung der Lastverhältnisse bei kleineren Energievertei lungsnetzen und Industriebetrieben durch Einsatz eines Schwung rad-Energiespeichers

Inhalt:
1) Problemstellung
2) Vorschlag zur Problemlösung: der Power Conditioner
3) Beschreibung des Power Conditioners
4) Anwendungen
5) Arbeiten anderer Firmen und Forschungsinstitute
6) Weitere Anwendungsgebiete des Power Conditioners
8) Literatur
9) Anhang mit Bildern

1) Problemstellung

a) Wirkleistungsspitzen

Die vom übergeordneten EVU bezogene Wirkleistung ist nicht konstant und weist insbesondere tagsüber hohe Spitzen auf. Da sich ein Teil der Stromkosten aus der bereitgestellten Wirklei stungsspitze ergibt (Leistungspreis, etwa 200-300 DM/kW), ist es aus wirtschaftlichen Gründen erstrebenswert Wirkleistungsspitzen zu vermeiden. Eine einfache Abhilfe ist z. B. der zeitlich versetzte Betrieb einzelner Lasten. Bei größeren Kunden lohnt sich dazu der Einsatz eines Ener gie-Management-Systems (Lasten werden z. B. Computer-gesteuert ein- und ausgeschaltet). Falls allerdings Prozesse unbedingt parallel ablaufen müssen, kann die Wirkleistungsspitze aus Sicht des Verknüpfungspunktes mit dem übergeordneten EVU nur dadurch gesenkt werden, daß aus einem eigenen Energiespeicher Wirkleistung zur Verfügung gestellt wird.

b) Blindleistungsbedarf

Mit dem übergeordnetem EVU ist ein Verschiebungsfaktor cos phi vereinbart, der im Mittel über ein bestimmtes Zeitintervall nicht unterschritten werden darf. Dazu werden heute (u. Umständen sogar geschaltete) Kondensatorbänke zur Blindleistungskompensation eingesetzt.

c) Netzrückwirkungen

Niederpulsige Stromrichter, insbesondere ungesteuerte Gleichrichter mit kapazitiver Glättung, entnehmen dem Netz Oberschwingungs-behafteten Strom. Die Oberschwingungsströme rufen an den Netzimpedanzen Spannungsabfälle hervor und führen dadurch zu nicht-sinusförmigen Netzspannungen. Diese können den Verträglichkeitspegel anderer Verbraucher überschreiten und zu Notabschaltungen oder sogar Schädigungen von Betriebsmitteln führen. Außerdem kann das mit dem übergeordnetem EVU vereinbarte zulässige Ausmaß an Netzrückwirkungen über schritten werden. Heutzutage sind auf einzelne Oberschwingungen abgestimmte Filterkreise noch die wirtschaftlichste Lösung. Diese bestehen im wesentlichen aus verdrosselten Kondensa torbänken und stellen somit darüber hinaus auch Blindleistung zur Verfügung. Da immer mehr niederpulsige Stromrichterlasten an das Netz geschaltet werden, wird die Proble matik der Netzrückwirkungen in Zukunft ein immer größeres Problem werden.

2) Vorschlag zur Problemlösung: Power Conditioner

Ideal wäre ein Gerät (nachfolgend "Power Conditioner" genannt), welches im eigenen Netz an geeigneter Stelle zugeschaltet wird und nach jeweiligem Bedarf einzelne oder alle der unter 1a)-c) vorgestellten Probleme wirtschaftlich reduziert.

Bild 1 veranschaulicht die geforderte Wirkungsweise:
Das neue Gerät sorgt (a) für einen ausgeglicheneren Wirkleistungsbezug und vermeidet aus Sicht des PCCs (Verknüpfungspunkt mit übergeordnetem EVU-Netz) Wirkleistungsspitzen. Die dazu benötigte Energie wird während Schwachlastzeiten, z. B. nachts zum preiswerten Tarif, aus dem übergeordneten Netz entnommen. Es stellt (b) Blindleistung für die eigenen Verbraucher zur Ver fügung (oder nimmt Blindleistung auf) und steigert damit den cos phi und es saugt (c) die von den eigenen Verbrauchern in Richtung Netz ausgesandten Rückwirkungen in Form von Ober schwingungsströmen zum Großteil ab.

Durch diese Betriebseigenschaften wird das eigene Netz aus Sicht des übergeordneten EVUs (bzw. des PCCs) netzfreundlicher.

Die Kosten für den Betrieb der elektrischen Geräte im eigenen Netz werden gesenkt, falls die Kosten für den Power Conditioner geringer als die durch ihn verursachten Einsparungen sind. Da aber aus Sicht vieler Wissenschaftler und Industriebetriebe eine deutliche Senkung der Ko sten für die nachfolgend vorgestellten Komponenten des Power Conditioners schon innerhalb der nächsten 5 Jahre zu erwarten ist, erscheint es bereits heute lohnend, sich mit der Entwicklung des Gerätes zu beschäftigen.

Die Entwicklung des Power Conditioners soll Gegenstand dieses Forschungsprojektes sein.

3) Beschreibung des Power Conditioners

Damit einerseits die Anforderungen an den Power Conditioner zuverlässig erfüllt werden, das Gerät aber immer noch ausreichend preiswert verkauft werden kann und damit für den Kunden interessant ist, sollte es aus Komponenten bestehen, die zukünftig in Massenfertigung hergestellt werden.

Bild 2 zeigt das Zusammenwirken der einzelnen Komponenten innerhalb des Power Conditio ners. Es wird davon ausgegangen, daß der Power Conditioner zunächst im 400 V-Niederspan nungnetz angeschlossen wird. Dort sind die unter 1) beschriebenen Probleme am ausgeprägte sten. Außerdem entfällt dort ein Transformator zur Spannungsanpassung.

Die maximal abgebbare Scheinleistung wird zur Zeit auf 100 kVA beschränkt sein, da sonst die angestrebten hohen Schaltfrequenzen des Netz-Pulsstromrichters nicht mehr wirtschaftlich er reichbar sind. Schaltfrequenzen deutlich über 5 kHz müssen nämlich verwendet werden, wenn angestrebt wird, den Power Conditioner zusätzlich zur Reduktion der durch andere Verbraucher verursachten Netzrückwirkungen einzusetzen.

Als Energiespeicher erscheint in der Zukunft aus den nachfolgend noch im Detail ausgeführten Gründen der elektromechanische Schwungradspeicher aus Faserverbundwerkstoffen besser ge eignet als elektrochemische Speicher (z. B. Bleibatterien).

Der maximale Energieinhalt des Faserverbundwerkstoff-Schwungradspeichers wird durch seine Kosten (10 kWh kosten heutzutage etwa 50 000-140 000 DM) beschränkt sein. Eventuell ist es preiswerter, wenn, wie in Bild 2 dargestellt, mehrere kleine Speicher parallel geschaltet werden. (Der 10 kWh-Speicher für Elektroautos wird aus etwa 20 einzelnen Speichern mit einem Durch messer von jeweils 20 Schwungrädern bestehen, die 18 cm lang sind, einen Durchmesser von 23 cm haben und etwa 23 kg wiegen.)

Der Über-Alles-Wirkungsgrad (Laden, Speichern, Abgeben von Energie) wird wahrscheinlich besser als 0,8 sein, wenn die Energie nicht länger als 24 h gespeichert wird.

Der Preis für einen 100 kW/10 kWh Power Conditioner wird zunächst bei insgesamt etwa 100 000 -250 000 DM liegen, wobei etwa die Hälfte der Kosten auf den Schwungradspeicher entfällt. Mit dem Fortschreiten der Technologien bei den Komponenten und der erwarteten Aufnahme der Massenfertigung für die Schwungradspeicher innerhalb der nächsten 5 Jahre werden die tech nischen Daten immer besser und die Preise niedriger werden.

Die Dimensionierung der Komponenten des Power Conditioners muß danach erfolgen, welches der unter 1a) bis c) angegebenen Probleme dominiert:
Für das Vermeiden von ausgeprägten Wirkleistungsspitzen (1a) aus Sicht des PCC wird je nach Energieinhalt der Spitze ein entsprechender Schwungradspeicher eingesetzt werden müssen. Für eine reine Blindleistungsgenerierung (1b), das heißt den Einsatz als statischen Kompensator, wird lediglich ein Zwischenkreiskondensator benötigt, da kein Wirkleistungsaustausch mit dem Netz stattfindet. Für die reine Netzrückwirkungs-Bekämpfung (1c), das heißt für den Betrieb als aktives Filter, bei der von anderen Verbrauchern in das Netz eingespeiste Oberschwingungs wirkleistung vom Power Conditioner aufgenommen wird, und in Form von Grundschwingungs wirkleistung an das Netz wieder zurückgegeben wird ("Recyclen von Oberschwingungen"), er scheint ein kleiner Schwungradspeicher nur dann sinnvoll, wenn Energie-Aufnahme und Abgabe zeitlich auseinander liegen.

Falls alle 3 Probleme mit einem Power Conditioner gelöst werden sollen, muß einerseits der Netzstromrichter von seiner Bemessungsleistung für den Wirk- und Blindleistungstransfer aus gelegt sein, andererseits die Anzahl und Auslegung der parallel geschalteten Schwungradspei cher nach dem geforderten Energieinhalt erfolgen.

Ob ein Power Conditioner eingesetzt wird, hängt davon ab wie teuer vergleichbare und bereits existierende Anlagen zur Problembeseitigung sind. Einen wirtschaftlichen Vorteil wird der Power Conditioner wahrscheinlich dann haben, wenn alle 3 Probleme mit einem kompakten Ge rät umweltverträglich, d. h. ohne die Entstehung von Schadstoffen, beseitigt werden sollen.

Nachfolgend wird auf die einzelnen Komponenten des Power Conditioners im einzelnen einge gangen.

Netzfilter

Das Netzfilter verhindert, daß die hochfrequenten Rückwirkungen des Netz-Pulsstromrichters in das Kundennetz eindringen. Bezüglich der niederfrequenten Vorgänge (≦ωτ1 kHz) verhält es sich wie eine reine Induktivität (dies ist das gewünschte Verhalten). Das Netzfilter kann auf Grund der hohen Schaltfrequenz des Netz-Pulsstromrichters vermutlich relativ klein und kompakt ausge führt werden.

Netz-Pulsstromrichter

Dieser formt aus der Zwischenkreisspannung die netzseitigen Stromrichterspannungen. Vorzugsweise sollte ein IGBT-Pulsstromrichter verwendet werden, da sich mit ihm schon heute Leistungen bis mehrere 10 kVA bei gleichzeitig hohen Schaltfrequenzen (≦λτ20 kHz) realisieren lassen. Die Entwicklung auf dem Gebiet der IGBTs vollzieht sich durch die starke Nachfrage in der elektrischen Antriebstechnik zu immer leistungsfähigeren Elementen hin. Somit könnte ein zuverlässiger und preiswerter Pulsstromrichter aus anderen Anwendungsgebieten verwendet werden. Eigenentwicklungen wären nicht notwendig. Zur Zeit kostet ein geeigneter IGBT-Puls stromrichter in der zunächst angestrebten Leistungsklasse von 100 kVA etwa 600-1000 DM/kVA.

Schwungrad-Pulsstromrichter

Auf Grund des modularen Aufbaus des Geräts ist die Bemessungsleistung für diese Stromrichter geringer als für den Netzstromrichter.

Schwungradspeicher

Durch die verschärfte Abgasgesetzgebung in Kalifornien ("zero-emmission-car": ab 1998 sol len 2%, ab 2003 10% aller verkauften Neuwagen emissionsfrei sein), wird zur Zeit in den USA intensiv an elektrochemischen (Batterien) und elektromechanischen (Schwungrad) Energiespei chern gearbeitet. Aus den weiter unten aufgeführten Gründen zeichnet sich ein deutlicher techni scher und wirtschaftlicher Vorteil des Einsatzes von Faserverbundwerkstoff-Schwungradspei chern ab. Ein von der Firma USFS (siehe Kapitel 5) ausgestattetes Auto soll z. B. spätestens 1995 mit einem solchen Energiespeicher ausgestattet werden, der das Auto von 0 auf 100 km/h in 8 sec beschleunigt (benötigte Leistung etwa 60 kW) und eine Reichweite von über 400 km erlaubt [1], [2] (benötigter Energieinhalt des Speichers: etwa 10 kWh).

Der Schwungradspeicher aus Faserverbundwerkstoffen ist schon heute aus folgenden Gründen besonders geeignet für den Einsatz bei der mobilen Energieversorgung:

- hohe Energiedichte (heute: etwa 40 Wh/kg = zur Zeit bereits vergleichbar mit Bleibatterien; Werte zwischen 60 und 200 Wh/kg werden in den nächsten Jahren erwartet)
- kompakterer Aufbau (50 Wh/dm³) als bei Bleibatterien
- hohe Leistungsdichte (heute: maximal 1000 W/kg, dies liegt weit über den Werten der meisten anderen Energiespeicher)
- hohe Sicherheit bei Zerstörung (im Gegensatz zu Stahlscheiben "fasert" das Schwungrad bei Zerstörung auf)
- lange Lebensdauer (über 10 Jahre, vielleicht 30 Jahre)
- hohe Anzahl von Lade/Entlade-Zyklen (über 100 000 im Gegensatz zu 500 Zyklen bei elektrochemischen Batterien (bei Autos wird daher eine Lebensdauer von mindestens 300 000 km erwartet)
- hoher Wirkungsgrad (nur 20% Energieverlust nach 24 h)

Auf Grund der schon heute überlegenen technischen Daten unter anderem hinsichtlich der Le bensdauer und der Anzahl von möglichen Lade/Entladezyklen eignet sich der Faserverbun werkstoff-Schwungradspeicher aber auch für die hier angestrebte stationäre Energieversorgung im Power Conditioner.

Heutzutage beträgt der Preis für Faserverbundwerkstoff-Schwungradspeicher etwa 5 bis 14 DM/Wh; der in Zukunft erwartete Preis wird 2 bis 15mal geringer erwartet. Wie oben erwähnt, würde ein 10 kWh Speicher heute etwa 50 000 bis 140 000 DM und in der Zukunft unter Umständen dann nur noch 3300 DM kosten.

Die Preisentwicklung ist allerdings sehr stark von der zukünftigen Nachfrage vor allem in der Automobiltechnik abhängig. Generell kann aber gesagt werden, daß der wirtschaftliche Einsatz am ehesten bei Verzicht auf hohe Energiedichten gegeben ist.

Regelung

Die Regelung managed das gesamte Energiespeichersystem. Regelalgorithmen für die einzelnen Aufgaben werden bereits angedacht und vorgestellt [3], [4], müssen allerdings noch genauer an das neue Gerät und die Praxis angepaßt werden.

4) Anwendungen

stationäre Anwendungen:

- Anwendung in Elektrizitätswerken und Industrieanlagen zur Glättung von Leistungsbedarfsspitzen sowie zur unterbrechungsfreien Stromversorgung
- Schwungradspeicher in Windkraftanlagen und photovoltaischen Anlagen

mobile Anwendungen:

- Schwungräder als alleinige Energiespeicher in Elektrofahrzeugen
- Hybridkonzepte für mobile Anwendungen

Der Faserverbundwerkstoff-Schwungradspeicher ist auf Grund seiner erheblichen technischen Vorteile in Hinblick auf Leistungsdichte und Lade/Entlade-Verhalten bei langer Lebensdauer so wie seines hohen energetischen Wirkungsgrades und guter Umweltverträglichkeit für alle dieje nigen Aufgaben prädestiniert, bei denen ein Energiespeicher für kurze Zeitspannen aber hohe Leistungen und häufige Lade/Entlade-Zyklen gefordert ist. Solche Anwendungen sind in vielen Hybridkonzepten (z. B. Hybridbus: Dieselmotor geringer Leistung läuft konstant mit optimalem Wirkungsgrad, Schwungradspeicher fängt Lastspitzen ab) gegeben. Bei Verzicht auf hohe Energiespeicherkapazitäten ergäbe sich die wirtschaftlichste Anwendung des Energiespeichers.

5) Arbeiten anderer Firmen und Forschungsinstitute

Die im vorangegangenen Kapitel 3 aufgeführten Firmen beschäftigen sich zur Zeit mehr oder weniger intensiv mit der Entwicklung von Schwungrad-Energiespeichern.

Die Firma Magnet-Motor GmbH in Starnberg hat sich nach eigener Aussage mit Erfolg ein Hy brid-System bestehend aus 40 kW-Dieselmotor und Schwungradspeicher getestet. Es sind meh rere Hybrid-Busse im Probeeinsatz auf regulären Strecken mit zahlenden Fahrgästen gefahren. Ein Speichersystem für einen Oberleitungsbus wird zur Zeit in Basel getestet. Bei dem Oberlei tungsbus besteht das Problem darin, daß bestimmte Strecken ohne Oberleitung durchfahren wer den müssen. Der Schwungradspeicher stellt dabei kurzzeitig hohe Leistungen zur Verfügung. Diese Problemstellung ähnelt der unter 1a) vorgestellten Problematik bei der Versorgung elektri scher Teilnetze.

Die Firma SEG Schaltanlagen Elektronik-Geräte GmbH & Co. KG in Kempen hat die Entwick lung des dynamischen Energiespeicher "Dybat" für Notstromversorgungen "auf Eis gelegt", da sich zur Zeit kein Kunde an den Entwicklungskosten beteiligt.

Die Firma Ad. Strüver KG vertreibt Schwungmassenspeicher für USV-Anlagen, die vorwie gend in EDV-Anlagen eingesetzt werden. Über eine elektromagnetische Kupplung wird einem Dieselaggregat aus der Schwungmasse die notwendige Startenergie zugeführt, so daß es in kürze ster Zeit hochgefahren werden kann.

Das Institut für elektrische Maschinen, Antriebe und Bahnen der TU Braunschweig hat bereits Forschungsarbeiten auf dem Gebiet des Einsatzes von Faserverbundwerkstoffen in hochtourigen Schwungradspeichern für die rationelle Energieverwendung durchgeführt (unter anderem: Dis sertation Rüdiger Candas: "Zur Berechnung von Schwungrad-Energiespeichern aus Faserver bundwerkstoff mit elektrischem Energiewandler"). Zur Zeit ist ein DFG-Vorhaben geplant (aber noch nicht genehmigt), welches die Entwicklung von Schwungradspeichern für große Leistun gen (MW-Bereich) vorsieht.

Die Firmen American Flywheel Systems (AFS), USA, und US Flywheel Systems (USFS), USA, arbeiten intensiv an der Entwicklung von Faserverbundwerkstoff-Schwungradspeichern für Elektrofahrzeuge. Die USFS hat unter anderem von CALSTART, einem nicht Gewinn-orientier ten kalifornischen Konsortium, in dem Banken, Firmen und Behörden vertreten sind, die Auf forderung zur Entwicklung von Faserverbundwerkstoff-Schwungradspeichern für Elektroautos in Verbindung mit entsprechenden Fördergeldern in Millionenhöhe erhalten. Ein Prototyp des Fahrzeugs soll im Laufe des Jahres 1995 mit den unter 3) angegebenen Daten fahrbereit sein. Zu beachten ist, daß sich für die Fördergelder unter anderen das US Advanced Battery Conortium sowie GM erfolglos beworben haben. Beide Firmen favorisieren offenbar (noch) elektrochemi sche Energiespeicher. USFS plant eine Zusammenarbeit mit der University of California in Ir vine (Integration des elektrischen Antriebs) und den Lawrence Livermore Laboratories (Faser verbundwerkstoff-Technologie).

Die Lawrence Livermore National Laboratories (Livermore, California 94551, USA) entwickeln zur Zeit eine Kombination aus Batterie und angeschlossenem Schwungrad zur kurzfristigen Energieversorgung. Sie soll dazu dienen, kleine bis mittelgroße Unternehmen vor Gefahren der zumeist kurzen Stromversorgungsunterbrechungen zu schützen. Hochempfindliche elektroni sche Schaltungen in Computern und Steuerungen von Fertigungsautomaten können bereits durch Stromunterbrechungen im Millisekundenbereich, stark gestört werden.

Die Regierung der USA untersützt außerdem die Entwicklung von Schwungrad-Batterien im Rahmen des CRADA-Programms (Cooperative Research & Development Agreements). Die fi nanzielle Unterstützung betrifft hauptsächlich das US-amerikanische Unternehmen Trinity Flywheel Bateries Inc., das inzwischen schon Verträge mit der Westinghouse Corp. geschlossen hat. Danach sollen innerhalb der nächsten 12 Monate drei bis vier Schwungradsysteme für pra xisnahe Pilotanlagen geliefert werden, die Westinghouse in eigenen Anlagen installieren will. Der Bedarf an solchen mittelgroßen Anlagen wird von Fachleuten auf etwa 10 000 Stück in den nächsten 5 Jahren geschätzt.

6) Weitere Anwendungsgebiete des Power Conditioners

Über den Einsatz in kleineren Energieversorgungsnetzen und Industriebetrieben hinaus kann auch an einen Einsatz in Bahnnetzen (insbesondere Nahverkehr, aber auch Fernverkehr) gedacht werden:
Von allen schienengebundenen Transportsystemen haben die U- und S-Bahnen den höchsten spezifischen Energieverbrauch, da ihr Fahrzyklus die meisten Beschleunigungsvorgänge auf weist. Ein S-Bahn-Kurzzug verbraucht für die Beschleunigung von 0 auf 120 km/h 30 bis 35 kWh, ein Langzug (entspricht 3 Kurzzügen) ca. 100 kWh. Bei stark frequentierten S-Bahnstatio nen in Großstädten fahren die Züge im Durchschnitt der Betriebsstunden in einem Abstand von ca. 3 min, d. h. es verkehren etwa 400 Züge pro Tag und Richtung. Der Energieverbrauch für Beschleunigungsvorgänge beträgt bei einem Langzug-Anteil von 10% somit rund 15 000 kWh/d.

Diese Energiemenge kann z. B. durch den Einsatz von mobilen Speichern in den Triebköpfen innerhalb der Züge gehalten werden (dazu wäre eine für mobile Einsätze geeignete Sonderbau form des Power Conditioners notwendig). Die Fahrdrahtspannungs-Schwankung, welche bei Nutzbremsungen oder starken Beschleunigungsvorgängen auftritt, würde reduziert werden und Verluste durch den hin- und her-Transport von Energie würden vermieden. Entsprechende Un tersuchungen mit stationären Schwungradspeichern, die längs des Fahrdrahts aufgebaut sind, wurden bereits in Japan erfolgreich durchgeführt [1].

Wie in Kapitel 5 beschrieben werden Schwungradspeicher bereits in USA-Anlagen erfolgreich eingesetzt. Unter Umständen könnte auch ein Power Conditioner zur Überbrückung von kürzeren Netzaus fällen ausreichend sein. Erst bei längerem Netzausfall müßte z. B. ein Dieselgenerator eingesetzt werden.

Sowohl in Bahnnetzen als auch bei USV-Anlagen kann der Power Conditioner neben Wirklei stung auch Blindleistung bereitstellen sowie die Netzrückwirkungen reduzieren.

8) Literatur

[1] Pietralla, J.-T.: Technischer Stand und Entwicklungspotential von Schwungradspeichern im Hinblick auf mobile und stationäre Anwendungen. Bericht über Werkstudententätigkeit bei Siemens ZFE IC E, August 1993.
[2] Dooling, D.: Technology 1994, Transportation. IEEE Spectrum, January 1994, p. 62.
[3] Gretsch, R.; Gunselmann, W.: Verteilte Oberschwingungskompensation durch Netzgeräte. ETG-Fachbericht 39, S. 251-264, VDE-Verlag, 1992.
[4] Weinhold, M.: Dreiphasiger Pulsstromrichter zur Speisung von Gleichspannungszwischen kreisen ohne Amplitudensteuerung der netzseitigen Stromrichterspannungen. Dissertation, Ruhr-Universität Bochum, 1994.

9) Anhang mit Bildern

Bild 1: Wirkungsweise des Power Conditioners
Bild 2: Aufbau des Power Conditioners

Claims

Einrichtung zur Verbesserung des Leistungsbezugs eines Verbrauchers, welcher mit einem elektrischen Netz verbunden ist, mit Speicher-, Meß- und Filtermitteln, die ausgehend von vorgegebenen Sollwerten für die Leistung und weiterer Größen und den gemessenen Istwerten des Verbrauchers die Abweichung zwischen Soll- und Istwerten erzeugen.