Fachartikel

Individuelle Einspeiseumrichter-Lösungen für besondere Anwendungen

Jeder Anwendung ihren Einspeiseumrichter

Einspeiseumrichter für KWK- und ORC-Anlagen oder hochdrehende Schwungmassenspeicher müssen große Anforderungen erfüllen – weil sie mit hohen elektrischen Frequenzen zurechtkommen und sowohl den motorischen als auch den generatorischen Betrieb ermöglichen müssen. Inzwischen sind Einspeiseumrichter erhältlich, die diese Anforderungen erfüllen.

Photovoltaik- und Windenergieanlagen oder Anlagen zur Nutzung von Geothermie sind durch die Energiewende sehr bekannt geworden. Anders verhält es sich mit verschiedenen innovativen Techniken, die sich sowohl in Privathaushalten als auch in Gewerbebetrieben Schritt für Schritt ebenfalls durchsetzen. Hierbei handelt es sich um kleine Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen (KWK-Anlagen), die auf Mikrogasturbinen beruhen, um Gasentspannungsturbinen oder auch um Anlagen, die den ORC-Prozess (Organic Rankine Cycle) zur Erzeugung elektrischer Energie aus Rest- oder Abwärme nutzen. Nicht zuletzt bieten hochdrehende Schwungmassenspeicher (Flywheel) in bestimmten Anwendungen klare Vorteile gegenüber Batteriespeichern. »Bei allen Methoden kommt den eingesetzten Einspeise- und Frequenzumrichtern eine besondere Bedeutung zu: Sie sind die Schnittstelle zwischen der aus Sonne, Wind, Erdwärme oder Abwärme gewonnenen Energie und dem öffentlichen Stromnetz«, erläutert Ralph Sawallisch, Key Account Manager für Einspeisetechnik bei SIEB & MEYER.

Egal, welches Prinzip die Anlagen nutzen – meist übernimmt ein hochdrehender Generator die Umwandlung der Rotationsenergie in elektrische Energie. Er arbeitet in Drehzahlbereichen zwischen etwa 15.000 und 120.000 1/min. Bei elektrischen Frequenzen von bis zu 2000 Hz ergeben sich jedoch erhebliche Anforderungen an die nachgeschaltete Leistungselektronik.

Für die Einspeisung des erzeugten Stroms in das öffentliche Versorgungsnetz können Einspeiseumrichter der Serie SD2R von SIEB & MEYER sorgen. Als Komplettlösung ist der SD2R in verschiedenen Leistungsklassen von 15 bis 100 kW erhältlich. Er besteht aus einem Frequenzumrichter mit dem dazugehörigen Netzwechselrichter, der die Einhaltung der gültigen Anwenderregel VDE AR-N 4105 gewährleistet. »Die speziell für Hochgeschwindigkeitsmotoren und -generatoren entwickelte Elektronik bildet die Basis des Systems, das sowohl den generatorischen als auch den motorischen Betrieb mit hoher Regelleistung ermöglicht«, führt Sawallisch aus. »Dabei berücksichtigt der SD2R alle technischen Anforderungen des Generators und des Prozesses.«

Schwungmassenspeicher effizient betreiben

Die Ausführungen und Abmessungen des SD2R lassen sich flexibel an die spezifischen Gegebenheiten und Anforderungen anpassen, so dass das System auch für alle speziellen Anwendungsfälle geeignet ist. »Der SD2R wird beispielsweise in ORC-Anlagen, Gasentspannungsturbinen oder Mikrogasturbinen eingesetzt«, sagt Sawallisch. »Ein möglicher Anwendungsbereich sind aber auch hochdrehende Schwungmassenspeicher, die derzeit auf dem Weg zur Serienreife sind und ihren Platz neben den klassischen Batteriespeichern finden werden.«

Schwungmassenspeicher sind flexibel einsetzbar: Sie lassen sich verschiedenen Leistungsbereichen anpassen und sind daher für unterschiedliche stationäre, aber unter Umständen auch für mobile Anwendungen interessant. So können die rotierenden Speicher zusätzlich Frequenzschwankungen und Spannungsänderungen im Stromnetz entgegenwirken und so zur Netzstabilität beitragen, was beispielsweise für Unternehmen mit sensiblen Produktionsmaschinen oder auch in hochverfügbaren Rechenzentren interessant sein kann. »Je größer der Anteil ‚fluktuierender Leistung‘ an der öffentlichen Stromerzeugung ist, desto wichtiger werden solche Technologien zum Ausgleich der wetterbedingten Leistungsschwankungen«, verdeutlicht Sawallisch. »Denkbar ist aber auch die Kombination mit einer Photovoltaikanlage, wo sich anfallende Restenergie in Schwungmassenspeichern sammeln und bei Bedarf wieder abgeben lässt, um auf diese Weise den Eigenverbrauchsanteil zu steigern.«

Speziell für hochdrehende Schwungmassenspeicher ist der vom SD2R gebotene 4-Quadranten-Betrieb essentiell, der in vielen Anwendungen auch zusammen mit einer sensorlosen Drehzahlregelung möglich ist. Schließlich muss der Energiefluss in beide Richtungen sichergestellt sein: »Aufgeladen wird der Speicher im motorischen Betrieb, während die Energie im generatorischen Modus abgerufen wird«, wie Sawallisch anmerkt. »Die Herausforderung dabei ist, dass eine große Masse beschleunigt, auf eine hohe Drehzahl gebracht und wieder kontrolliert abgebremst werden muss. Die speziell für Hochgeschwindigkeitsmotoren und -generatoren entwickelte Elektronik des SD2R meistert diese Herausforderung: Möglich sind Leistungen von bis zu 100 kVA und Drehzahlen bis 120.000 1/min.«

Konzepte für die Restwärmenutzung

SIEB & MEYER konzipiert jedoch auch maßgeschneiderte Lösungen für andere Konzepte zur Nutzung erneuerbarer Energien. Ein Beispiel ist die Restwärmenutzung etwa von Biogas-Kraftwerken im elektrischen Leistungsbereich von 250 bis 1000 kW - ein vergleichsweise neues Gebiet. Mit Anlagen zur Nutzung des ORC-Prozesses lässt sich auch die dort ansonsten ungenutzt bleibende Restwärme teilweise zur Stromgewinnung heranziehen. »Wer allerdings für eine ORC-Anwendung nach einem Einspeiseumrichter suchte, wurde bisher unter den klassischen Standardlösungen kaum fündig«, betont Sawallisch. »SIEB & MEYER hat dies zum Anlass genommen, eine anwendungsspezifische Lösung auf Basis des für Hochgeschwindigkeits-Anwendungen ausgelegten Antriebssystems SD2 zu entwickeln.«

Um ORC-Prozesse effizient und mit den geforderten Wirkungsgraden betreiben zu können, spielen die eingesetzten Frequenz- und Einspeiseumrichter eine entscheidende Rolle. Umrichter und Einspeisung bilden am Ende des ORC-Prozesses die Schnittstelle zwischen Generator und Stromnetz und verwandeln die dort erzeugte elektrische Energie in netzkompatiblen Strom. »Das ist allerdings nicht so einfach, wie man bei oberflächlicher Betrachtung vermuten könnte«, gibt Sawallisch zu bedenken. »Die ORC-Technologie erfordert fundiertes Know-how in Bezug auf die Regeltechnik der hochdrehenden Turbinengeneratoren und die spezifische Ausführung des Einspeiseumrichters. Erforderlich ist dabei beispielsweise ein Frequenzbereich bis 2000 Hz – die meisten Standardfrequenzumrichter sind jedoch auf Frequenzbereiche bis 400 Hz hin ausgelegt und optimiert. Weil sie keine ausreichend hohen Drehzahlen unterstützen, kommen solche Systeme nicht in Frage.«

Auf die Anlage zugeschnittene Lösungen

ORC-Anlagen erfordern ein intelligentes Regelverfahren mit hoher Dynamik; Geräte auf Basis von Solarwechselrichtern im Zusammenspiel mit einer passiven Gleichrichtung können dies nicht im geforderten Maße leisten. »Der Turbinengenerator darf nie ohne Belastung laufen, denn das würde zu Überdrehzahlen und sofortigem Ausfall führen«, hebt Sawallisch hervor. »Entsprechend muss der Regler sehr schnell auf sich ändernde Betriebszustände reagieren; bei einer Drucksteigerung etwa muss umgehend nachgeregelt werden. Andernfalls wäre schnell eine Überdrehzahl erreicht, die sich in einem für den Turbinengenerator kritischen Bereich bewegen und dessen Funktion gefährden würde.« Im Unterschied zu langsamer drehenden Generatoren ist bei den hochdrehenden Generatoren außerdem die Erwärmung zu berücksichtigen. Die hochdrehenden Motoren bzw. Generatoren lassen wegen des kleineren Rotorvolumens nur geringe Übertemperaturen zu.

»SIEB & MEYER bietet für Hochgeschwindigkeits-Anwendungen maßgeschneiderte Frequenzumrichter, die in der technischen Ausrichtung exakt den jeweiligen Anforderungen der Applikation gerecht werden und im Betrieb das Maximum an Leistung herausholen«, fasst Sawallisch zusammen. »Das entsprechende Know-how in der Beratung und Lösungsfindung ist ebenfalls vorhanden.«

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