DE4421914A1 - Einrichtung zur Verbesserung des Leistungsbezugs eines Verbrauchers - Google Patents
Einrichtung zur Verbesserung des Leistungsbezugs eines VerbrauchersInfo
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Description
Bei kleineren Energieverteilungsnetzen und Industriebetrieben existieren hinsichtlich der Ener
gieversorgung folgende drei Problemkreise:
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.
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.).
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.
Einsatz von Dieselgeneratoren.
Kondensatorbänke, übererregt gefahrene Generatoren (falls vorhanden), statische Kompensa
toren.
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.
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.
Bericht über ein Ausführungsbeispiel.
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
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
Bei kleineren Energieverteilungsnetzen und Industriebetrieben existieren hinsichtlich der Ener
gieversorgung folgende drei Problemkreise:
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die Entwicklung des Power Conditioners soll Gegenstand dieses Forschungsprojektes sein.
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.
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.
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.
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.
Auf Grund des modularen Aufbaus des Geräts ist die Bemessungsleistung für diese Stromrichter
geringer als für den Netzstromrichter.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
[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.
[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.
Bild 1: Wirkungsweise des Power Conditioners
Bild 2: Aufbau des Power Conditioners
Bild 2: Aufbau des Power Conditioners
Claims (1)
- 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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19944421914 DE4421914A1 (de) | 1994-06-24 | 1994-06-24 | Einrichtung zur Verbesserung des Leistungsbezugs eines Verbrauchers |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19944421914 DE4421914A1 (de) | 1994-06-24 | 1994-06-24 | Einrichtung zur Verbesserung des Leistungsbezugs eines Verbrauchers |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4421914A1 true DE4421914A1 (de) | 1996-01-04 |
Family
ID=6521279
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19944421914 Withdrawn DE4421914A1 (de) | 1994-06-24 | 1994-06-24 | Einrichtung zur Verbesserung des Leistungsbezugs eines Verbrauchers |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4421914A1 (de) |
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- 1994-06-24 DE DE19944421914 patent/DE4421914A1/de not_active Withdrawn
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