S EMINAR - elenia.tu-bs.de attempts to provide an overview of the current state of ... mit einem Modul von einer Fläche von ca. 1,5 m² ... und Optim ierungsverfahren

SEMINAR

STUDIENSEMINAR FÜR INNOVATIVE

ENERGIESYSTEME

Kurzberichte

Institut für Hochspannungstechnik und Elektrische Energieanlagen - elenia

Sommersemester 2017

Braunschweig, 18.05.2017

Inhaltsverzeichnis

Zeitplan 3

Gruppe 1 - 30.06.2017

Herman - Kleinst-PV-Anlagen mit Schuko-Stecker, Aktueller Stand von Produkten und Normung . . . . . . . 4

Wang - Agentenbasierte Modellierung für Energiesysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

Sauer - Rise of the Prosumer – Der Rollenwandel von Haushalten im Kontext der Energiewende . . . . . . . . 8

Stoebel - Geografische Verteilung von umrichterbasierten Erzeugungsanlagen in Deutschland . . . . . . . . . . 10

Kammeni - Regelung von konventionellen Kraftwerken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

Luo - Sind Wärmepumpen, Batteriespeicher und Elektrofahrzeuge schon heute bereit für’s Smart Grid? . . . . 13

Torrisi - Energiemanagementsysteme – finanzieller Mehrgewinn oder technische Spielerei? . . . . . . . . . . . 16

Schröder - Netzdienliches Laden von E-KFZ: Woran wird aktuell in Deutschland geforscht? . . . . . . . . . . 18

Gruppe 2 - 05.07.2017

Hu - Historische Entwicklung und aktueller Stand der Vakuumschalttechnik für die elektrische Energieversorgung 20

Methner - Zwangskommutierung in Hybridschaltgeräten. Wann ist sie sinnvoll? . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

Wolf - Einfluss des Kontaktmaterials auf die minimale Lichtbogenspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

Steinmann - Potentiale von Gleichstrom-Energieversorgungsnetzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Berg - Stand der Technik von Mittelspannungs-Gleichstrom-Energieversorgungsnetze . . . . . . . . . . . . . . 27

Rühmann - Normative Isolierstoffcharakterisierung in der Hochspannungstechnik und im Explosionsschutz . . 28

Gläßner - Eigenschaften und Verhalten der Bogenrestgassäule in Schaltstrecken der Niederspannungstechnik . 30

Kurzberichte Studienseminar Sommersemester 2017 - elenia 2

Zeit Typ Referent Thema

Vortrag Robin Frederick HermanKleinst-PV-Anlagen mit Schuko-Stecker, Aktueller Stand von Produkten und Normung

Vortrag Xiaoxiong Wang Agentenbasierte Modellierung für Energiesysteme

Vortrag Timo SauerRise of the Prosumer – Der Rollenwandel von Haushalten im Kontext der Energiewende

11:30 – 11:45

Vortrag Malte Leif StoebelGeografische Verteilung von umrichterbasierten Erzeugungsanlagen in Deutschland

VortragAlban Thibaut Djieya Kammeni

Regelung von konventionellen Kraftwerken

Vortrag Keyuan LuoSind Wärmepumpen, Batteriespeicher und Elektrofahrzeuge schon heute bereit für’s Smart Grid?

13:15-14:15

Vortrag Luca TorrisiEnergiemanagementsysteme – finanzieller Mehrgewinn oder technische Spielerei?

Vortrag Nils Gräfer

Die Erfolgsgeschichte des KfW-Marktanreizprogramms für PV-Speicher – Aber wie gut sind aktuell Energiemanagementsysteme für KfW geförderte Speicher?

Vortrag Nils SchröderNetzdienliches Laden von E-KFZ: Woran wird aktuell in Deutschland geforscht?

Zeit Typ Referent Thema

Vortrag Huiyuan HuHistorische Entwicklung und aktueller Stand der Vakuumschalttechnik für die elektrische Energieversorgung

Vortrag Björn MethnerZwangskommutierung in Hybridschaltgeräten. Wann ist sie sinnvoll?

Vortrag Sebastian WolfEinfluss des Kontaktmaterials auf die minimale Lichtbogenspannung

11:30 – 11:45

Vortrag Yu ZhangMöglichkeiten der Topologie-flexiblen Batteriemodulgestaltung

Vortrag Christoph Steinmann Potentiale von Gleichstrom-Energieversorgungsnetzen

Vortrag Adrian BergStand der Technik von Mittelspannungs-Gleichstrom-Energieversorgungsnetze

13:15-14:15

Vortrag Niklas RühmannNormative Isolierstoffcharakterisierung in der Hochspannungstechnik und im Explosionsschutz

VortragSaeed Ghorbanpour Besheli

Frequenzgang von Leistungstransformatoren

Vortrag Janine GläßnerEigenschaften und Verhalten der Bogenrestgassäule in Schaltstrecken der Niederspannungstechnik

Zeitplan am 05.07.2017 im Haus der Wissenschaft (Raum Veolia)

09:00 – 11:30

Pause (Feedback-Runde)

Mittag

14:15-15:45

11:45 – 13:15

14:15-15:45

Zeitplan am 30.06.2017 im elenia (Seminarraum R137)

09:00 – 11:30

Pause (Feedback-Runde)

11:45 – 13:15

Mittag


Kleinst-PV-Anlagen mit Schuko-Stecker, Aktueller Stand von Produkten und Normung

Small-scale photovoltaic systems with protective earth plug, current

state of products and standardization

Robin Frederick Herman,

Institut für Hochspannungstechnik und elektrische Energieanlagen – elenia, Braunschweig, [email protected]

Kurzfassung

Kleinst-PV-Anlagen rücken verstärkt ins öffentliche Interesse, da sie einer breiteren Masse ermöglichen

umweltfreundlichen Strom zu erzeugen und sich aktiv am Kampf gegen den Klimawandel zu beteiligen. Aber

Aufgrund fehlender oder mangelnder Normung und Gesetze gibt es in Deutschland Sicherheitsbedenken zum Betrieb

dieser Anlagen. Diese Arbeit versucht einen Überblick über den aktuellen Stand der Technik dieser Anlagen zu

vermitteln. In einem Vergleich mit gewöhnlichen Anlagen werden sich Vor- und Nachteile zeigen. Es werden

verschieden Risiken im Hinblick auf den Stand der aktuellen Normung erklärt und Lösungsansätze gegeben. Am Ende

wird ein Ausblick gegeben, inwiefern sich Kleinst-PV-Anlagen in Deutschland doch etablieren könnten.

Abstract

The public interest of small-scale photovoltaic systems is constantly growing, as they enable more and more people to

generate clean electricity and to actively participate in the fight against climate change. But due to the lack of

standardization and legislation there are safety concerns in Germany regarding the operation of these systems. This

work attempts to provide an overview of the current state of technology of these systems. A comparison with

conventional systems will show advantages and disadvantages. Various risks are explained with regard to the state of

current standardization and approaches to the solution are given. In the end, a prospect is given, on how small-scale

photovoltaic systems Germany could establish themselves.

1 Einleitung

Photovoltaik zur Stromerzeugung ist eine der führenden

Technologien in Deutschland, die die Energiewende

vorantreiben. Doch nicht jeder kann sich eine große PV-

Anlage auf dem eigenen Hausdach leisten. Deswegen

entwickeln immer mehr Firmen sog. Plug-and-Play

Anlagen, PV-Komplettanlagen, welche einfach an die

Steckdose angeschlossen werden können und so den

Eigenstromverbrauch senken sollen. So soll die

Energiewende auch in die kleinen Haushalte gebracht

werden. Doch der VDE und viele Netzbetreiber warnen

vor Brandgefahr und anderen Sicherheitsrisiken. Aber

sind diese Bedenken auf dem Stand der aktuellen Technik

gerechtfertigt?

2 Übersicht

Als Kleinst-PV-Anlage werden Anlagen bezeichnet, die

aus einer vorkonfigurierten Kombination aus

Photovoltaikmodul(en) und Wechselrichter bestehen,

welche, unabhängig von den Installationsbedingungen vor

Ort, angeboten werden. Änderbar sind hier nur die

mechanische Befestigung und die Leitungsführung. Im

Unterschied dazu stehen die größeren, individuell

geplanten Anlagen, z.B. auf dem Hausdach, bei denen die

Verschaltung individuell angepasst wird [1]. Ein weiterer

Unterschied besteht darin, dass diese Anlagen direkt über

einen Schutzkontakt-Stecker (Schuko-Stecker) an eine im

Hausnetz übliche einphasige 230V Steckdose

angeschlossen werden, d.h. sie werden im Endstromkreis

hinter den Schutzeinrichtungen angeschlossen. Im

Gegensatz dazu, dürfen gewöhnlichen PV-Anlagen nur

vor den Schutzeinrichtung einspeisen, also nicht im

Endstromkreis. Die eingespeiste Energie soll so die

Grundlast des Haushaltes teilweise abdecken und damit

den Stromverbrauch senken [1].

Als Wechselrichter kommt bei den Kleinst-PV-Anlagen

häufig ein netzgekoppelter Modulwechselrichter zum

Einsatz, da dieser kleiner und günstiger ist. Er wird direkt

an der Rückseite des Moduls angebracht. Netzgekoppelt

heißt, dass der Wechselrichter nur bei Anschluss an das

230V / 50 Hz – Netz in dieses auch Strom einspeist. Der

Wechselrichter übernimmt aber noch weitere Aufgaben,

z.B. lässt er die Solarmodule im optimalen Betriebspunkt

arbeiten und überwacht so dessen Leistung [2].

Da es keine gesetzliche Grenzleistung für diese Art von

Anlage gibt, gibt es eine Vielzahl von verschiedenen

Angeboten auf dem Markt. Typische Komplettanlagen

mit einem Modul von einer Fläche von ca. 1,5 m² haben

eine Leistung von 200 – 300 Wp und Kosten derzeit

zwischen 400€ - 600€ Brutto [3]. Im Vergleich dazu

kostet bei einer Hausdachanlage 1 kWp ca. 1.500€

Brutto(Preis incl. Wechselrichter- und Montagekosten)

[4]. Durch den im Vergleich geringen Investitionskosten

und die geringe Größe hat eine Kleinst-PV-Anlage somit


vielseitige Einsatzmöglichkeiten. Dennoch ist dieses

Konzept im Vergleich zu anderen Ländern, wie den

Niederlanden oder Österreich, hierzulande unverbreitet

[5].

3 Literatur

[1] T. Erge, H.Laukamp, L.M. Diazgranados, A.

Armbruster, D.Fischer, Fraunhofer ISE,

„Steckerfertige, netzgekoppelte Kleinst-PV-Anlagen

– Studie für e-control“, 30. September 2016.

[Online]. Available:

https://www.e-

control.at/documents/20903/388512/E-Control-

Studie-KleinstPV.pdf/

[Zugriff am 20. Mai 2017].

[2] C. Märtel , energie-experten.org, „Vorteile und

Einsatzzwecke moderner Modulwechselrichter“, 14.

März 2016. [Online]. Available: http://www.energie-

experten.org/erneuerbare-

energien/photovoltaik/wechselrichter/modulwechsel

richter.html [Zugriff am 20. Mai 2017].

[3] C. Windeck, L. F. Stahl, heise online, „Lichtfalle -

Praxiserfahrungen mit einer Minisolaranlage“, 24.

August 2013. [Online]. Available:

https://www.heise.de/ct/ausgabe/2013-19-

Praxiserfahrungen-mit-einer-Mini-Solaranlage-

2315372.html [Zugriff am 19. Mai 2017].

[4] S. Zahn, Energieheld GmbH, „PV-Kosten – Preise

für Photovoltaik-Anlagen“. [Online]. Available:

https://www.energieheld.de/photovoltaik/kosten-pv-

anlage [Zugriff am 20. Mai 2017].

[5] P. Vollmer, Wirtschaftswoche, „Guerilla-

Photovoltaik – Deshalb lassen Solaranlagen für die

Steckdose auf sich warten“, 06. September 2016.


http://www.wiwo.de/technologie/green/tech/guerilla

-photovoltaik-deshalb-lassen-solaranlagen-fuer-die-

steckdose-auf-sich-warten/14502486.html [Zugriff

am 21. Mai 2017].


Agentenbasierte Modellierung für Energiesysteme

Agent-based modeling for energy systems

Xiaoxiong Wang,


Kurzfassung

Ein effizientes und sicheres Energiesystem in der Zukunft, das sich durch die Entwicklung der erneuerbaren Energien

und die Dezentralisierung der Stromerzeugung auszeichnet, muss in entsprechender Art und Weise analysiert werden.

Die agentenbasierte Modellierung ermöglicht es, das Energiesystem unter den oben genannten Rahmenbedingungen in

angemessener Form zu berücksichtigen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Implementierung einer

verbraucherorientierte Modellierung des Energiesystems, die auf einem Multiagentensystem basiert. Neben der

Erläuterung von Energiesystemmodelle, wurde auf die Erläuterung eines Agentensystems eingegangen. Schließlich

werden die Architektur und die funktionale Anwendung eines agentenbasierten Energiesystems aufgezeigt und erklärt.

Abstract

An efficient and safe energy system that is moved by the development of renewable energies and the decentralization of

electricity generation must be analyzed in an applicable way. The agent-based modeling makes it possible that the

energy system is considered in an appropriate form under the above-mentioned framework conditions. The present

thesis deals with the implementation of a consumer-oriented modeling of the energy system based on a multi-agency

system. In addition to the explanation of the energy system models, the explanation of the agent system was discussed.

Finally, the architecture and the functional application of an agent-based energy system are demonstrated and explained.

1 Einleitung

Der Anteil der erneuerbaren Energien am

Bruttostromverbrauch, der weiter steigen wird, beträgt im

Jahre 2016 in Deutschland 32,3% [1]. Davon hat

Windenergie einen Anteil von 13,5%, Photovoltaik 6,5%,

Biomasse 8,7% und Wasserkraft 3,6% [1]. Die

Stromerzeugung der Windkraft und der Photovoltaik

hängt von schwankenden Wetterbedingungen und der

Jahreszeit ab. Damit liegen neue Ansprüche dem

Energiesystem vor [2].

Der zunehmende Anteil von erneuerbaren Energien führt

dazu, dass ein Großteil des dezentral erzeugten Stroms,

der auf den erneuerbaren Energien basiert, in die

Stromnetze eingespeist wird [3]. Somit bringt die

steigende Einspeisung der dezentralen Stromerzeugung

neue Herausforderungen [3]. Daraus ergibt sich, dass die

oben genannten Entwicklungen eine Veränderung auf

dem Energiesystem bewirken [4].

Die Modellierung der Energiesysteme muss deshalb die

oben gezeigten Tendenzen wahrnehmen und in

angemessener Art und Weise berücksichtigen. [4]

Die gewählte agentenbasierte Modellierung ermöglicht es

insbesondere, dass die erneuerbaren Energien, die auf die

dezentrale Stromerzeugung einen großen Einfluss haben,

im Energiesystem darzustellen.

2 Theoretische Grundlagen

In diesem Kapitel wird der Grundbegriff eines

Energiesystems erklärt und die wichtigsten Grundlagen

des Agentensystems erläutert.

Bevor an dieser Stelle auf die Grundlagen eines Agenten

eingegangen wird, ist es nötig, die Begriffe von

Energiesystemmodellen zu klären.

Die Energiemodelle sind eine Planungsmethode, die für

eine erfolgreiche Entscheidung der Energie- und

Umweltplanung sorgen [5]. Es wird zwischen Bottom-up

Ansätzen und Top-down Ansätzen unterschieden [6]. Die

Top-Down Ansätze, auch Energiewirtschaftsmodelle,

fokussieren sich nicht nur auf die großen Märkte der

Volkswirtschaft, sondern auch auf die individuelle

Bevorzugung der Agenten [6]. Wegen der Entwicklung

der erneuerbare Energien wird in dieser Arbeit Top-down

Ansätze gewählt.

Ein System wird bezeichnet als eine integrierte

Gesamtheit, die von einer Menge von Einzelelementen

zusammengesetzt, in denen die Einzelelemente

miteinander in Beziehung stehen und nach bestimmten

Bedingungen interagieren [5]. Daraus wird der

Grundbegriff der Energiesysteme, die agentenbasiert sind,

eingeführt. Es wird definiert als mehrere Komponenten,

zu denen Verbraucher, Infrastruktur und Erzeuger

gehören, die durch einen Servicebus miteinander

verbunden sind und nach einem bestimmten Steuerung-

und Optimierungsverfahren interagieren [7].

3 Literatur

[1] Bundesministerium für Wirtschaft und Energie,

„Die Energiewende: unsere Erfolgsgeschichte“ 31.

Januar 2017. [Online]. Available:

https://www.bmwi.de/Redaktion/DE/Publikationen

/Energie/energiewende-beileger.html. [Zugriff am


13.05.2017].

[2] Publish-industry Verlag GmbH, „Wie funktioniert

Demand SIDE Management“ 06. März 2017.


http://www.industr.com/de/Energy-

Magazin/digitalisierung-vernetzung/wie-dsm-

demand-side-management-2133699. [Zugriff am

13.05.2017].

[3] Bundesministerium für Wirtschaft und Energie,

„Die nächste Phase der Energiewende kann

beginnen“ 31. Januar 2017. [Online]. Available:

https://www.bmwi.de/Redaktion/DE/Dossier/energ

iewende.html. [Zugriff am 13.05.2017].

[4] T. Wittmann, T.Bruckner, „Agentenbasierte

Modellierung urbaner Energiesysteme“ 28. Mai

2007. [Online]. Available: https://www.wifa.uni-

leipzig.de/fileadmin/user_upload/iirm-

tm/energiemanagement/publikationen/reviewed_jo

urnals/2007_AgentenModellierungUrbanerEnergie

systeme.pdf. [Zugriff am 13.05.2017].

[5] J. Fromme, „Räumliche Implikationen von

Regenerativ – Energieszenarien für die langfristige

Entwicklung des deutschen

Stromversorgungssytems“ 28. September 2004.

[Online]. Available: https://eldorado.tu-

dortmund.de/bitstream/2003/20152/1/Frommeohne

unt.pdf. [Zugriff am 13.05.2017].

[6] W. A. Müller, M. Bihn, Energiemodelle zum

Klimaschutz in Deutschland - Strukturelle und

gesamtwirtschaftliche Auswirkungen aus

nationaler Perspektive, Heidelberg: Physica-

Verlag, 1999.

[7] T. Dethlefs, „Ein verbraucherorientiertes

Energiesystem für Smart Grids - Entwicklung eines

Multi-Agenten-Systems zur dezentralen

Optimierung“ 22. Mai 2014. [Online]. Available:

https://www.haw-

hamburg.de/fileadmin/user_upload/Forschung/CC4

E/Projekte/weitere_Energiethemen/Intelligente_Ne

tze/Abschlussarbeiten/2014_05_Masterthesis_Tim

_Dethlefs.pdf. [Zugriff am 13.05.2017].


Rise of the Prosumer - Der Rollenwandel von Haushalten im Kontext

der Energiewende

Rise of the Prosumer – The change in the role of households in the

context of the energy revolution

Rise of the Prosumer – Der Rollenwandel von Haushalten im Kontext der Energiewende, Timo Sauer,


Kurzfassung

Das Paper „Rise of the Prosumer“ handelt von der Rolle der privaten Haushalte in einem dezentralen

Energieversorgungssystem und deren Entwicklung zu einem aktiven Teilnehmer auf dem Strommarkt. Dabei wird

zuerst auf den Ursprung, des von Alivin Toffler geprägten Begriff des „Prosumers“, eingegangen, um diesen

anschließend in den Kontext der Energiewende einzuordnen. Danach wird erklärt, welche Technologien dem privaten

Haushalt zur Verfügung stehen, um die Abhängigkeit vom Energieversorger zu minimieren. Zum Schluss wird darauf

eingegangen, dass Prosumer zukünftig auch Netzdienstleistungen erbringen werden.

Abstract

The paper “Rise of the Prosumer” deals with the role of private households in a decentralised energy supply system. At

first the term “Prosumer” is explained, which was coined by Alvin Toffler. Then the prosumer is put into the context of

the energy revolution. Next it is explained what kind of technologies can be used to minimise dependency on energy

suppliers. In the end it is claimed that, in future, the prosumers will provide network services.

1 Einleitung

Die Bundesregierung hat in den vergangenen Jahren viele

rechtliche Rahmenbedingungen geschaffen, um die

Energiewende voranzutreiben. Dabei hat sich

Deutschland unteranderem dazu verpflichtet bis 2050 den

CO2 - Ausstoß um bis zu 95% zu senken. Das bedeutet,

dass auf die Nutzung von fossilen Brennstoffen komplett

verzichtet werden muss.

Des Weiteren hat sie mit dem EEG durch

festgeschriebene Einspeisevergütungen einen Anreiz

geschaffen, eine Photovoltaik-Anlage auf dem eigenen

Dach zu installieren. Seit dem EEG 2016 ist es

unrentabeler geworden, den Strom ins öffentliche Netz

einzuspeisen, da die Einspeisevergütung gekürzt wurde.

Dadurch ist es für die private Haushalte lukrativ

geworden, den erzeugeten Strom für den eigenen

Strombedarf zu benutzen.


Im Jahr 1980 prägte Alvin Toffler in seinem Buch „The

Third Wave” den Begriff des Prosumers. Dieser setzt sich

aus den Wörtern „producer“ (deutsch: Produzent) und

„consumer“ (deutsch: Konsument) zusammen. Toffler

unterteilt die Wirtschaft in zwei Bereiche. Während

Bereich A unbezahlte Arbeit für den Eigengebrauch

beinhaltet, erfasst Bereich B alle Güter, die zum Verkauf

hergestellt werden. Dabei prognostiziert Toffler, dass

zukünftig Technologien, die im Bereich B erforscht und

produziert werden, schließlich im Bereich A übernommen

werden.[1]

Übertragen auf die “Prosumer-Haushalte” im Kontext der

Energiewende bedeutet das, dass die privaten Haushalte

nicht mehr ausschließlich als Nachfrager, sondern auch

als Anbieter, auf dem Strommarkt auftreten, da sie ihren

Strom selber regenerativ erzeugen, verbrauchen, aber

auch ins öffentliche Netz einspeisen.

Es darf erst von einem Prosumer-Haushalt gesprochen

werden, wenn der Eigenversorgungsgrad über Null liegt,

sprich der erzeugte Strom wird anteilig für den eigenen

Bedarf benutzt [2]. Um dies zu erreichen, stehen dem

Prosumer verschiedene Technologien auf dem Markt zur

Verfügung, wobei es viele Möglichkeiten gibt diese zu

kombienieren. Photovoltaik-Anlagen, Batterien, kleine

Blockheizkraftwerke, ein elektrischer Heizstab oder

Wärmepumpen sind einige der meistgenutzten Technolo-

gien [3].

Ab dem Zeitpunkt, an dem kein Strom mehr aus dem

öffentlichen Netz bezogen werden muss, spricht man von

einem energieautarken Haushalt [2]. Als eines der effizi-

entesten Kombinationen für eine hohe Selbstversorgung

hat sich die Photovoltaik-Anlage im Zusammenspiel mit

einer Batterie erwiesen [3].

In Zukunft könnten diese Haushalte auch immer wichtiger

für die Netzstabilisierung werden, da sie durch ihre

Anpassungsfähigkeit und Demand-Side-Management

Lastspitzen entgegenwirken. Dazu ist eine Steuerbarbeit

der elektrischen Geräte im Haushalt, sowie der Netze

selbst, notwendig, sodass Smart Home und Smart Grid

zukünftig eine große Rolle in der Energiewende

einnehmen könnten.


3 Literatur

[1] A.Toffler, The Third Wave, New York: Bantam

Books, 1990.

[2] S. Gährs, A. Aretz, M. Flaute, C. A. Oberst, A.

Großmann, C. Lutz, D. Bargende, B. Hirschl

und R. Madlener, Prosumer-Haushalte:

„Handlungsempfehlungen für eine sozial-

ökologische und systemdienliche Förderpolitik“,

2016,Available: http://www.prosumer-

haushalte.de/data/prohaus/user_upload/Dateien/

Prosumer-

Haushalte__Handlungsempfehlungen.pdf,

[Zugriff am 14.05.2017]

[3] Bundesministerium für Bildung und Forschung

(BMBF), Statuskonferenz -Umwelt- und

gesellschaftsverträgliche Transformation des

Energiesystems, September 2015. Available:

http://www.fona.de/mediathek/pdf/Tagungsband

_Statuskonferenz_Transformation_des_Energies

ystems_2015.pdf, [Zugriff am 14.05.2017].


Geografische Verteilung von umrichterbasierten Erzeugungsanlagen

in Deutschland

B.Sc. Malte Stoebel,


Kurzfassung

Umrichterbasierte Erzeugungsanlagen müssen sich in Zuge der Energiewende zusehends an der Stützung der

Verbundnetzgrößen Spannung und Frequenz mittels Regelleistung uns Blindleistung beteiligen, da die konventionelle

Energieerzeugung stetig sinkt. Es ist daher, mit Berücksichtigung geographischer Unterschiede, eine Menge an

Umrichteranlagen zu bestimmen, die sich an der Stützung beteiligen können.

Abstract

In the German Energiewende converter-based power plants need to take part in the support of the European electricity

grid. They must provide operating reserve and reactive power because conventional energy generation is decreasing.

Therefore, volatile converters must be identified, especially regarding the geographical distribution of those.

1 Einleitung

In der sich verändernden Kraftwerkslandschaft

Deutschlands gewinnt die Stützung der Netzstabilität

durch umrichterbasierte Erzeugungsanlagen zunehmend

an Bedeutung. In dieser Arbeit soll zunächst untersucht

werden, in welchen Bereichen Deutschland sich volatile

Umrichter befinden.


Im Rahmen der Energiewende in Deutschland steigt die

Anzahl sowie Leistung von umrichterbasierten

Erzeugungsanlagen stetig. Die leistungselektronische

Umformung der elektrischen Energie ist Aufgrund

technologischer Besonderheiten der Erzeugungsanlagen,

wie Gleichstromerzeugung durch Photovoltaikanlagen

oder frequenzvariable Wechselstromerzeugung durch

Windenergieanlagen, nötig.

Gleichzeitig werden, bedingt durch den Atomausstieg und

sinkende Rentabilität von älteren Gas- und

Kohlekraftwerken, große Leistungen konventioneller

Erzeugung stillgelegt. In Perioden hoher

Energieerzeugung durch Erneuerbare Energien werden

konventionelle Kraftwerke abgeregelt, sodass immer

weniger Leistung durch rotierende Massen, im speziellen

Synchrongeneratoren, bereitgestellt wird.

Gerade diese Synchrongeneratoren mit ihrer schnell

regelbaren Blindleistungsbereitstellung einfach zu

variierender Wirkleistung sind derzeit essentiell für die

Betriebsstabilität des europäischen Verbundnetzes sowie

der Bereitstellung der Systemdienstleistungen. Durch

Abrufen von Regelleistung bleibt die 50Hz-Netzfrequenz

konstant, mit Hilfe von Blindleistung kann die

Netzspannung stabilisiert werden. Dabei ist die

Netzfrequenz die einzige globale Regelgröße des

Verbundnetzes.

Da sich umrichterbasierte Erzeugungsanlagen bisher kaum

aktiv an der Stützung dieser Netzgrößen beteiligen, müssen

so genannte Must-Run-Units (MRUs) durch Netzbetreiber

definiert werden. Dies sind konventionelle Kraftwerke,

welche durch ihre Betreiber nicht stillgelegt werden

dürfen, da in diesem Fall der sichere Betrieb des Netzes

gefährdet wäre. Der subventionierte Betrieb dieser

Anlagen hat hohe Kostennachteile für den Endverbraucher.

Ziel ist es daher, eine intelligente Stützung der Netzgrößen

in die Umrichter erneuerbarer Energieanlagen zu

implementieren. Dabei bietet es sich zunächst an,

Umrichter mit sowohl hohen Leistungen als auch den

netzdienlichsten Standorten an der Regelung zu beteiligen.

Diese Arbeit soll einen daher Überblick über die

geographisch unterschiedlichen Standorte sowie Dichten

volatiler Umrichter bieten. Daraus soll zukünftig eine

Auswahl zu modernisierender Anlagen entstehen.

3 Literatur

[1] Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena), dena-

Studie Systemdienstleistungen 2030, Berlin,

2014.

[2] Bundesnetzagentur für Elektrizität, Gas,

Telekommunikation, Post und Eisenbahnen,

Netzentgeltsystematik Elektrizität, Bonn, 2015.


Regelung von konventionellen Kraftwerken

Control of conventional power plants

B.Sc. Thibaut Djieya


Kurzfassung

Elektrische Energie lässt sich in großem Maß nicht speichern (nur indirekt über Pumpspeicher-Kraftwerke oder Zukünftig

über Batterien) und muss deshalb bedarfsorientiert erzeugt werden. Zur Gewährleistung der Stabilität des Stromnetzes

müssen Verbrauch- und Erzeugungsleistung stets im Gleichgewicht sein. Diese Aufgabe wird hauptsächlich durch die

Kraftwerke übernommen. Konventionelle Kraftwerke besitzen verschiedene Regelkreise und –Strukturen. Neben der

Wirkleistungsregelung wird in dieser Arbeit auch die Blindleistungsreglung beschrieben. Außerdem wird auch auf das

stationäre und dynamische Verhalten von Synchrongenerator - als bevorzugt eingesetzte Maschine in konventionellen

Kraftwerken - eingegangen.

Abstract

Electrical energy cannot be stored to a large extent (only indirectly via pumped-storage power stations or in the future via

batteries). It must therefore be oriented towards needs. In order to ensure the stability of the electricity grid, consumption

and production performance must always be in balance. This task is mainly carried out by the power stations.

Conventional power plants have different control circuits and structures. In addition to the active power regulation, the

reactive power control is also described in this work. Furthermore, the steady-state and dynamic behavior of synchronous

generator-as preferably used machine in conventional power stations - is also discussed.

1 Einleitung

Die heutige und zukünftige elektrische Energieversorgung

ist eine der größten Aufgaben von Forschung und Politik.

Eine technisch gute elektrische Energieversorgung lässt

sich durch die Zuverlässigkeit des Netzbetriebs und die

Qualität der Netzspannung charakterisieren. Darunter

versteht man die Einhaltung aller Spannungsmerkmale,

wie Frequenz, Amplitude, Form und Symmetrie[2]. Die

Steuerung des Energieversorgungsnetzes erfolgt

hauptsächlich durch die Kraftwerke. Diese wandeln die

Antriebsenergie der Turbinen mittels Generator in

elektrische Energie um. Dabei werden Synchron-

maschinen - aufgrund ihrer Regelbarkeit und der Fähigkeit

Blindleistung zu liefern sowie aufzunehmen – bevorzugt

eingesetzt [1]. Zur Verständnis der Regelstrukturen

konventioneller Kraftwerke wird daher zunächst kurz auf

das Betriebsverhalten von Synchrongeneratoren

eingegangen.


In diesem Kapitel werden die Grundlagen kurz erläutert,

die für das spätere Verständnis der Arbeit relevant sind.

2.1 Synchrongenerator

Synchrongeneratoren bestehen aus einem festen (Stator)

und einem sich drehenden Teil (Rotor). Der Rotor trägt

eine Gleichstrom-Erregerwicklung, die über

Schleifenringe gespeist wird und für das notwendige

Magnetfeld sorgt. Im Stator befinden sich die um 120°

versetzen Dreiphasenwicklungen, in denen das sich

entsprechend der Drehzahl des Synchrongenerators

drehende Gleichfeld ein Dreiphasensystem von

Spannungen induziert. [1] Synchronmaschinen lassen sich

allgemein für Netzberechnungen durch eine wirksame

Spannung und eine wirksame Reaktanz entsprechend

Gleichung 1 nachbilden:

𝐸𝑝 = 𝑗𝑋𝑑 + 𝑈𝑘 (1)

Ep ist die Polradspannung und hängt vom

Erregergleichstrom und der synchronen Drehzahl ab. Xd

entspricht der synchronen Reaktanz und Uk der

Ständerspannung. Eine weitere wichtige Größe ist der

Polradwinkel ϑ, der Winkel zwischen den komplexen

Zeigern von Ep und Uk. [3]

2.2 Regelung

Konventionelle Kraftwerke werden auf drei zeitlichen

Ebenen geregelt:

Primärregelung im Sekundenbereich (Nutzung

des Energieinhalts rotierender Massen)

Sekundärregelung im Minuten- bis Halbstunden-

bereich (aktive thermische Regelung der

Kraftwerke)

Tertiärregelung im Stundenbereich (Schalten von

Kraftwerke) [4]

Dabei sind die Regelgrößen zunächst die einheitliche

Netzfrequenz sowie die Spannungen der einzelnen

Netzknoten. Dazu fungiert als Störgröße die von den

Verbrauchern initiierte, über den Tagesverlauf

veränderliche Netzlast. Während die Regelung der


Drehzahl des Generatorsatzes (Turbine +

Synchronmaschine) und damit auch der Netzfrequenz im

Alleinbetrieb grundsätzlich über die Primärenergiezufuhr

erfolgt, lässt sich die Klemmenspannung über die

Gleichstromerregung des Rotors regeln. Beim Betrieb am

Netz gehen dann diese Drehzahl- und Spannungsreglung in

eine Wirk- bzw. Blindleistungsregelung über. [3]

3 Literatur

[1] V. Crastan, Elektrische Energieversorgung 1,

Evilard: Springer Vieweg, 2015.

[2] V. Crasten, D. Westermann, Elektrische

Energieversorgung 3, Evilard/Weimar: Springer,

2011.

[3] A. J. Schwab, Elektroenergiesystem, Karlsruhe:

Springer, 2011

[4] J. Nitsch, J. Luther, Energieversorgung der

Zukunft, Stuttgart/Oldenburg: Springer: 1989


Energiemanagementsysteme – finanzieller bzw. technischer Mehr-gewinn oder technische Spielerei?Energy Management Systems – Additional profit / technical improve-ment or gadget?Luca TorrisiInstitut für Hochspannungstechnik und elektrische Energieanlagen - elenia, Braunschweig, [email protected]

Kurzfassung

In der vorliegenden Arbeit werden unterschiedliche Systeme zur Eigenverbrauchsoptimierung betrachtet und nach ihrenPotenzialen aus technischer und wirtschaftlicher Perspektive bewertet. Die verfolgten Ansätze zur Erhöhung des Eigen-verbrauchs werden vorgestellt, sowie verschiedene Möglichkeiten, die zu ihrer technischen Umsetzung existieren. ImAnschluss erfolgt anhand einer Fallunterscheidung eine Auswertung der Systeme in Abhängigkeit der Haushaltsprofileund Komponentenzusammenstellungen.

Abstract

This document provides an overwiew of the different systems aimed to optimise self-consumption, together with anevaluation of their potential from a financial and technical point of view. The approaches to maximise self-consumptionare presented, in addition to the existing technical realisations. Following this, a case differenciated analysis is provided,in function of the household profile and the system architecture.

1 Einleitung

Seit dem Erreichen der sogenannten Netzparität imJahr 2012 liegt der Fokus für Photovoltaik (PV)-Anlagenbesitzer in der Steigerung ihres Eigenverbrauchs.Ein weiterer wichtiger Punkt besteht in der Entlastung derNetzbetriebsmittel, auch wenn PV-Anlagenbesitzer aktuellnicht für den netzdienlichen Betrieb ihrer Anlage finanziellunterstützt werden. Die Einbindung fluktuierender, dezen-traler Erzeuger erfordert hohe Investitionen in der Netzin-frastruktur, die langfristig einen negativen Einfluss auf dieStromkosten haben.Der Einsatz von Haushaltsspeichern zur Erhöhung des Ei-genverbrauchsanteils ist die bekannteste und meist verbrei-tete Lösung. Die Investition in einem Heimspeichersystemrentiert sich zunehmend aufgrund sinkender Batteriepreiseund der aktuell günstigen Zinslage [1]. Batteriespeicher-preise unter 1000 e/kWh sind bereits verfügbar, sodasseine stärkere Marktdurchdringung in den nächsten Jahrenzu erwarten ist [1][2]. Seitens der Netzdienlichkeit ist indiesem Zusammenhang insbesondere die Betriebsstrategiedes Speichers von Bedeutung. Eine prognosebasierte Bat-terieladung ist mit geringen Einbußen in der Eigenversor-gung möglich und kann sogar durch die Reduktion von Ab-regelungsverlusten dem Anlagenbetreiber einen finanziel-len Vorteil ermöglichen [1][3].Zudem wird der Ansatz verfolgt, durch intelligentes Zu-schalten von Lasten bei Zeiten starker PV-Erzeugungden Eigenverbrauch zu maximieren. Dieses Verfahren

fällt im Allgemeinen unter den Begriff “Demand-Side-Management”. Die Laststeuerung setzt in diesem Fall einefortgeschrittene Vernetzung der Geräte im Rahmen einerGebäudeautomatisierung voraus. Demzufolge rücken heut-zutage sogenannte “Smart-Home”-Systeme immer mehrin den Vordergrund. Ferner muss unterschieden werden,ob die Geräte eine Speicherfähigkeit vorweisen. EineZwischenspeicherung in Form von Wärme/Kälte - auch“Power-to-Heat”- ist möglich und wird zunehmend einge-setzt. Hilfreiche Einblicke in diese Thematik bieten [1], [4]und [5]. Weitere, nicht speicherfähige Haushaltsgeräte wiezum Beispiel Spülmaschine, Waschmaschine und Trock-ner können ebenfalls gezielt angesteuert werden. Eine aus-führliche Beschreibung dieser Maßnahmen, sowie Unter-suchungsergebnisse zu deren Einsparpotenzial bietet [6].All diese Möglichkeiten werden durch Systeme hervor-gebracht, die sich unter der Begrifflichkeit “Energiemana-gement” einordnen lassen. Sie werden jedoch mithilfe vonsehr unterschiedlichen technischen Lösungen realisiert, diesich hinsichtlich ihrer Komplexität und Kosten stark von-einander unterscheiden. Es stellt sich die Frage, ob fürHaushalte eine digitale Regelung in Form eines intelli-genten, zentralen Energiemanagementsystems, aus techni-scher und wirtschaftlicher Sicht einen Vorteil bietet.Zunächst werden existierende Lösungen nach ihren tech-nischen Merkmalen charakterisiert. Im Anschluss wird un-tersucht, welche Potenziale zur Eigenverbrauchsoptimie-rung, die beschriebenen Maßnahmen bieten können.


2 Überblick verfügbarer Energie-managementsysteme

Durch die geschickte Steuerung von Wärmeerzeugern,die zur Raumheizung oder zur Erhöhung der Speicher-temperatur dienen, lassen sich vermutlich wesentliche Er-gebnisse im Bereich der Energieeffizienz erreichen. Dieseslässt sich bereits durch simple Regeleinrichtungen reali-sieren, die zunächst separat betrachtet werden. Anschlie-ßend wird das Betrachtungsfeld auf intelligente Mehr-komponentensystemen erweitert, die eine höhere Ausbau-stufe der Gebäudeautomatisierung bilden.

2.1 Einbindung von WärmeerzeugernDie meisten PV-Wechselrichter verfügen heutzutage übereinen oder mehrere Relais mit potentialfreien Kontak-ten, welche dafür genutzt werden können, Heizstäbe [7]zu speisen und/oder eine Wärmepumpe [8][9] über diesogenannte “SG-Ready”-Schnittsstelle zu steuern. DerWechselrichter übernimmt hier die Rolle des Energie-managementsystems. Er sendet zum Beispiel eine Ein-schaltempfehlung zum verstärkten Betrieb oder einen Ein-schaltbefehl mit neuen Sollwerten (die Ein- und Aus-schaltschwellen können individuell eingestellt werden).Integrieren die Wechselrichter kein übergreifendes, in-telligentes Zählsystem, dient als einziges Bewertungs-kriterium die erzeugte PV-Leistung. Zudem bildet dieseLösung generell ein Einkomponentensystem, auch wenndie Wechselrichterhersteller zunehmend ihre Produkte aufweitere Ein- und Ausgänge erweitern.Ferner bietet eine Vielzahl an Firmen [10][11] bereits fürein geringes Budget eine ähnliche Funktion als separateEinheit. Bei dieser Lösung wird ein elektronischer Strom-zähler an geeigneter Stelle nachgerüstet. Dieser ermöglichtanschließend eine stufenlose Regelung eines Heizstabs, deran unterschiedlichen Wärmepufferspeichern angebrachtwerden kann. Neben den geringeren Investitionskosten be-steht der Vorteil dieser Variante darin, dass nur die Über-schussleistung nach Versorgung aller anderen Verbraucherin Wärme umgesetzt wird. Sogar manche Wechselrichter-hersteller haben sich bereits für diese Alternative entschie-den [12] [13].

2.2 Mehrkomponentensysteme zur Einbin-dung weiterer Verbraucher

Die Einbindung von Haushaltsgeräten ohne Speicher-fähigkeit ist ohne eine fortgeschrittene Gebäude-automatisierung in Form eines zentralen Energie-managementsystems kaum möglich. Sie ist den Kom-ponenten zur PV-Strom-Erzeugung übergeordnet, bietetzahlreiche Schnittstellen und verfügt in der Regel übereine höhere Rechenleistung bzw. Intelligenz. Ein sol-ches nachrüstungsfähiges Mehrkomponentensystembietet erweiterte Funktionen hinsichtlich der Ertrags-und Verbrauchsprognosen, wie zum Beispiel die Hoch-rechnung in Abhängigkeit des Verbraucherverhaltensoder die Einbindung von Wetterdaten. Zudem ermög-licht eine leistungsfähige Kommunikationsschnittstelle

ein prioritätsgesteuertes Schalten einer Vielzahl vonVerbrauchern.Die Geräte werden über eine meist schnurlose Kommu-nikation, entweder direkt oder über Funksteckdosen ge-steuert bzw. ein- und ausgeschaltet. Bestimmte Hersteller[14] [15] bieten bereits Waren mit integrierten Schnittstel-len zur Kommunikation über die häufig verwendeten Z-Wave, ZigBee und EnOcean Funkstandards. Was die zen-tralen Steuerungseinheiten betrifft, ist am aktuellen Marktbereits eine breite Produktpalette vorhanden. Zudem kom-men vermehrt Systeme hinzu, die von Akteuren aus derEnergiebranche stammen [16] [17].Die Funktionalitäten überschreiten oft den Rahmen desEnergiemanagements: Komfort und Sicherheit könnenweitere Systemaufgaben bilden, die sich nicht immermit einem energieeffizienten Betrieb vereinbaren lassen.Zum Beispiel kann das zeitgerechte Hochfahren von Roll-läden oder Ausschalten von Raumbeleuchtung zur pas-siven Raumheizung und Stromeinsparung beitragen. DerBetrieb dieser Einrichtungen im Rahmen eines Diebstahl-schutzszenarios würde dagegen einen negativen Einflussauf die Energieeffizienz haben.

3 Literatur

[1] J. Bergner, J. Weniger, T. Tjaden, V. Quaschning: De-zentrale Solarstromspeicher für die Energiewende. 1.Aufl. Berlin: Berliner Wissenschafts-Verlag, 2015. —Wen15 — ISBN 978-3-8305-3548-5

[2] DAA Deutsche Auftragsagentur GmbH: Solar-anlagenportal, Solarstromspeicher Preise. Onli-ne, 2017. Available: https://www.solaranlagen-portal.com/photovoltaik/stromspeicher/preise [Zugriffam 04.01.2017]

[3] J. Bergner, J. Weniger, T. Tjaden, V. Quaschning:Solarstrom prognosebasiert speichern. Erschienen inSONNE WIND & WÄRME 09/2015, S.68-69

[4] J. Bergner, J. Weniger, T. Tjaden, V. Quaschning: Ein-satz von PV-Systemen mit Wärmepumpen und Batte-riespeichern zur Erhöhung des Autarkiegrades in Ein-familienhaushalten. 30. Symposium PhotovoltaischeSolarenergie, Bad Staffelstein, 3/2015

[5] J. Bergner, J. Weniger, T. Tjaden, V. Quaschning: Wär-mewende – Wärmepumpen und der Einfluss von PV-Batteriespeichern auf einen netzdienlichen Betrieb.1. Herbstworkshop der Professur Energiespeicher-oder systeme: Dezentrale Sektorkopplung und HybrideEnergiespeichersysteme, Dresden, 11/2016

[6] R. Scholz: Vergleich des Einflusses vonLastmanagement-Maßnahmen und Batteriespeicher-systemen auf die photovoltaische Eigenversorgungvon Wohngebäuden. Hochschule für Technik undWirtschaft Berlin, 2016

[7] Rennergy Systems AG: PV-Heiz. Saubere Energiemit Zukunft! Online, 2017. Available: http://www.rennergy.de/produkte/produktuebersicht/

pv-heiz.html[Zugriffam04.01.2017]


[8] Fronius International GmbH: Fronius Symo. On-line, 2017. Available: http://www.fronius.

com/cps/rde/xchg/fronius_deutschland/hs.

xsl/15128_16909_DEU_HTML.htm [Zugriff am04.01.2017]

[9] KACO new energy GmbH: Priwatt. Online, 2017.Available: http://kaco-newenergy.com/products/solar-pv-accessories/pv-self-consumption/priwatt [Zugriffam 04.01.2017]

[10] SolarEdge Technologies, Inc.: Datenblattzu Heizstab-Regler. Online, 2017. Available:http://www.photovoltaik4all.de/media/pdf/

solaredge-device-control-immersion-heater\

-controller-datasheet-de.pdf [Zugriff am04.01.2017]

[11] Solare Datensysteme GmbH: Produktinformationzu Solar-LogTM und EGO Smart Heater. Available:http://www.photovoltaik4all.de/media/pdf/

SolarLog_Datenblatt_EGO_Smart_Heater-3.

pdf [Zugriff am 04.01.2017][12] SENEC.HEAT: Datenblatt zur SENEC-

Heizstabsteuerung. Online, 2017. Available:http://www.baumann-solartechnik.de/

uploads/media/160613_web_Datenblatt_

SENEC_Heat_V_1_0.pdf [Zugriff am 04.01.2017][13] Fronius International GmbH: Datenblatt zu

Fronius Ohmpilot. Online, 2017. Available:http://www.raymann.at/fileadmin/user_

upload/Datenblaetter/Fronius_Ohmpilot_

Overview.pdf [Zugriff am 04.01.2017][14] Miele & Cie. KG: Miele@Home. Online, 2017.

Available: https://www.miele.de/brand/

smart-home/index.html [Zugriff am 04.01.2017][15] Stefan Tappert:Waschmaschine + Kühl-

schrank + Fensterrolladen = Zukunft IoT gehtmit Smart Things die nächsten Schritte. On-line, 08.01.2016. Available: http://www.

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HOMEMANAGER-DDE1711-V30web.pdf [Zugriff am04.01.2017]

[17] innogy SE: SmartHome Zentrale. Online,2017. Available: https://www.innogy.com/

smartstore/SmarthomeCatalog/Komfort/

SmartHome-Zentrale-zid10267411 [Zugriff am04.01.2017]


Die Erfolgsgeschichte des KfW-Marktanreizprogramms für PV-

Speicher – Aber wie gut sind aktuell Energiemanagementsysteme für

KfW geförderte Speicher?

The success story of the “KfW-Marktanreizprogramm” for

photovoltaic-battery-systems – But how good are energy-

management-systems for KfW-supported systems today?

Nils Gräfer,

Institut für Hochspannungstechnik und elektrische Energieanlagen – elenia, Braunschweig, n.graefer@tu-

braunschweig.de

Kurzfassung

Durch die Einführung des KfW-Marktanreizprogramms für PV-Speicher entstanden unter anderen

verschiedene Formen von Energiemanagementsystemen.

Im Vergleich werden Systeme betrachtet, die eine Einspeisegrenze durch einfache Abregelung vorsehen,

eine dynamische Einspeisebegrenzung vorsehen, sowie Systeme die über neuere Lösungsansätze die

Dynamik kontinuierlich anhand von Prognoseschätzungen variieren.

Hierbei sind grundsätzlich die Vor- und Nachteile der einzelnen Regelstrategien, hinsichtlich ihres Einflusses

auf das Spannungsband und die Einspeiseleistung zu unterscheiden. Daneben ist der Einfluss der

Energieverluste zu berücksichtigen, die durch systembedingte Abregelung entstehen. Das Ziel ist eine

optimale Energieausbeute bei möglichst geringer Netzbelastung und finanziellen Mehrwert für den Erzeuger.

Abstract

Following the introducing of KfW-Marktanreizprogramm for photovoltaic-battery-systems in Germany

different types of energy-management-systems have appeared.

In this paper, different energy-management-systems will be compared. Some of these systems operate on

limiting the electrical power of photovoltaic-battery-systems by a simple percentage of maximum system-

power, while others operate on regulating by a dynamic limiting of electrical power and photovoltaic-

battery-systems using new invented algorithms varying the dynamic of the system by estimating

continuously the producing of electrical power.

The advantages and disadvantages of these different strategies of controlling electrical power of a

photovoltaic-battery-system with regard to the influences to the voltage-range and the feed-in power of the

systems are of major concern.

Additionally, the influence of energy loss by reason of limiting feed-in power will be considered. The target

is an optimal energy yield at the lowest grid load and at the highest financial added value for energy-

producers.

1 Einleitung

Im Jahr 2013 trat das Marktanreizprogramm für

Stromspeicher in Kraft. Hierdurch wird eine

finanzielle Förderung für Batteriespeicher auch in

Kombination mit Photovoltaikanlagen ermöglicht.

Bedingung einer Förderung, die neben einer

neuinstallierten Anlage auch die Nachrüstung einer

Speicherlösung beinhalten kann, ist die

Verpflichtung zur maximalen Leistungsabgabe der

Photovoltaikanlage auf 50 % der gesamtinstallierten

Leistung, sofern eine Förderung durch die KfW-

Bank in Anspruch genommen werden soll. Aus

dieser Verpflichtung heraus ergeben sich

verschiedene Ansätze zur Realisierung. [1]

Neben einer einfachen Abregelung per Einspeise-

begrenzung, die zu Abregelungsverlusten führt ist es

möglich durch prognosebasierte

Speicherladestrategien auftretende Einspeisespitzen

im Tageserzeugungsgang der Photovoltaikanlage

abzufangen und die Anlage möglichst ohne

Abregelungsverluste zu betreiben [2]. Hierdurch

kann eine Verbesserung hinsichtlich der

Netzintegration von PV-Speichersystemen erreicht

werden [3].



Die im Einleitungsteil skizzierte Abregelung einer

PV-Speicher-Anlage auf 50 % der Generator-

Nennleistung bedeutet nicht zwangsläufig einen

Verlust der restlichen Prozentpunkte des

Jahresertrages. Da als Bemessungsgrundlage der

Prozentbegrenzungvorgabe der Netzanschlusspunkt

dient kann über verschiedene hausinterne

Maßnahmen das Ziel ohne Ertragseinbußen erreicht

werden [4].

Die aktuellen Energiemanagement-Systeme [EMS]

leisten durch die Einspeiseleistungsreduzierung ins

Netz einen entscheidenden Beitrag zur Umsetzung

der Energiewende, da hierdurch der Ausbau

regenerativer Energieträger bei geringerer

Netzbelastung ermöglicht wird. Unter diesem

Aspekt ergeben sich unterschiedliche Ansätze für

EMS in PV-Speicher-Anlagen.

Bei der Bewertung der Güte von EMS ist daher die

Verbesserung der Netzintegration, die

Auswirkungen auf den Haushalt, sowie die

Komplexität der technischen Maßnahmen zu

berücksichtigen.

Die Verbesserung der Netzintegration subsumiert

hierbei das vorliegende Ziel der Bundesregierung

zum weiteren Ausbau von Erneuerbaren-Energien,

in diesem Fall des Ausbaus von PV-Speicher-

Anlagen.

Die Auswirkungen auf den Haushalt stellen eine

Maßgabe für die gesellschaftliche Akzeptanz in der

Umsetzung dar, während die Komplexität der

technischen Maßnahmen eine Hürde für die

Einführung neuer Systeme abbildet.

3 Literatur

[1] Gesetz zur grundlegenden Reform des

Erneuerbare-Energien-Gesetzes und zur Änderung

weiterer Bestimmungen des

Energiewirtschaftrechts, 2014.

[2] J. Bergner, J. Weniger, T. Tjaden, V. Quaschning:

„Verbesserte Netzintegration von PV-

Speichersystemen durch Einbindung lokal

erstellter PV- und Lastprognosen“, in 30.

Symposium Photovoltaische Solarenergie, Bad

Staffelstein, 2015.

[3] J.Weniger, J.Bergner, T.Tjaden, V.Quaschning:

„Bedeutung von prognosebasierten

Betriebsstrategien für die Netzintegration von PV-

Speichersystemen“, in 29. Symposium

Photovoltaische Solarenergie, Bad Staffelstein,

2014.

[4] J. Weniger, J. Bergner, T. Tjaden, V. Quaschning:

„Solarstrom prognosebasiert speichern“, in

SONNE WIND & WÄRME 09/2015, 2015


Sind Wärmepumpen, Batteriespeicher und Elektrofahrzeuge schon

heute bereit für’s Smart Grid?

Keyuan Luo,


Kurzfassung

In diesem Bericht wird zunächst der Begriff Smart Grid definiert und erklärt. Im Anschluss wird die Charakteristik der

drei Komponenten Wärmepumpe, Batteriespeicher (für Haushalte) und Elektrofahrzeuge erläutert. Ihre Anwendungen

und Funktionen in Smart Grid werden an Beispielen beschrieben. Abschließend werden heutige und zukünftige

Herausforderungen aufgezeigt.

Abstract

First of all in this article is illustrated the concept of Smart Grid and then is introduced the character of three

components heat pump, battery storage (in smart home) and electric vehicle. Moreover the function and utilization in

Smart Grid are described. Finally present and future challenges or problems are discussed.

1 Einleitung

Durch den beschlossenen Ausstieg aus der Kernenergie

bis zum Jahr 2022 wird Deutschland die Nutzung

erneuerbarer Energien(EE) forcieren. Bis zum Jahr 2050

wird Anlagen zur Nutzung von Wind- und Sonnenenergie

kontinuierlich ausgebaut. Der regenerative Anteil am

Bruttostromverbrauch soll auf 35 Prozent bis 2020, auf 50

Prozent bis 2030, auf 65 Prozent bis 2040 und schließlich

auf 80 Prozent bis 2050 steigen.[1]Das Elektrizitätsnetz

muss auf diese fluktuierende Erzeugung ausgelegt

werden. Um eine Überdimensionierung zu verhindern, ist

die Integration von flexiblen Verbrauchern und Speichern

sinnvoll. Notwendig ist für die künftige Stromversorgung

die Intergration von Informations-und Kommunikations-

technologie(IKT). Im Smart Grid ist die einzelnen

Infrastrukturkomponenten kommunizieren miteinander

und passen so Stromverbrauch und-erzeugung intelligent

einander an. [1]


In diesem Kurzbericht wird das Smart Grid in das

Elektrizitätssystem mit Wärmpumpe, Batteriespeicher

und Elektrofahrzeuge abgestimmt zu diskutieren.

Smart Grid:

Ein Smart Grid beschreibt intelligente Verknüpfung von

die Stromerzeuger, Speicher und Verbraucher im

Netzbetrieb. Die IKT ermöglicht dabei eine effektive

Übertragung und Verteilung im Netz. Außerdem wird

eine bessere Steuerung der Leistung in Abhängigkeit der

Frequenz erzielt, da Erzeuger und Verbraucher effektiv

aufeinander abgestimmt werden. Die Ziele sind um

Energie zu speichern und die Zuverlässigkeit des

Systembetriebs zu erhöhen.

Wärmepumpen:

Eine Wärmepumpe ist eine Maschine, die unter

Aufwendung von technischer Arbeit thermische Energie

aus der Umgebung aufnimmt und als Nutzwärme auf ein

zu beheizendes System mit höherer Temperatur überträgt.

Der verwendete Prozess ist die Umkehrung eines Wärme-

Kraft-Prozesses oder auch das „Kühlschrankprinzips“.

Wärmpumpen können in Smart Grid bei starker EE-

Erzeugung gezielt dazu geschaltet und in laststarken

Zeiten gezielt abgeschaltet werden, sofern über

Speicherungsystem Wärme oder Kühl gepuffert werden

kann.

Batteriespeicher:

Batteriespeicher beschreibt eine Technologie um

elektrische Energie durch die Umwandlung in chemische

Energie zu speichern. Da sich die Einspeisung von Strom

aus Photovoltaik- und Windanlagen sich deutlich erhöht

hat, ist eine effiziente Zwischenspeicherung von Energie

von großer Bedeutung. Das Hausspeichersystem ist eine

gute Lösung für dieses Problem. z.B. Kann hiermit die

Enerige der Mittagssonne für die Abendstunden

gespeichert werden. Im Smart Grid kann durch den

Netzdienlicher Einsatz von Batteriespeicher die

Integration von weiteren EE-Anlagen erhöht werden,

indem die Betteriespeicher gezielt Energiespitzen

einspeichern. [2]

Elektrofahrzeuge:

Elektrofahrzeuge ist ein Verkehrsmittel, die

Elektroenergie in mechanische Energie umwandeln.

Batteriesysteme sind in jedem E-Mobil vorhanden. Dabei

gibt es zwei Möglichkeiten, Elektrofahrzeuge als Netzsich

zu betrachten: entweder als reine Last oder als Mobilen

Speicher, der je nach Nützlicher Strom bezieht oder in

Smart Grid zurückspeichert.(zukünftige Anwendung)


3 Literatur

[1] Danelius, Renate, Future Energy Grid: Informations-

und Kommunikationstechnologien für den Weg in ein

nachhaltiges und wirtschaftliches Energiesystem, 2012

[2] Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Mauch, Batteriespeicher in

Haushalten, 2015


Historische Entwicklung und aktueller Stand der

Vakuumschalttechnik für die elektrische Energieversorgung

Huiyuan Hu,

Institut für Hochspannungstechnik und elektrische Energieanlagen – elenia; Braunschweig;

[email protected]

Kurzfassung

In diesem Bericht wird auf den Stand der Forschung im Bereich der Vakuumschaltertechnik und ihrer historischen

Entwicklungen eingegangen. Hierzu zählt die Definition des Schalters, die Grundlagen des Leistungsschalters, Historie

des Vakuumschalters, Aufbau und Funktion bzw. die Marktanteile des Vakuumschalters, der Vergleich mit anderen

Löschmedien und ihre Vorteile. Anschließend werden aktuelle und zukünftige Stände vorgestellt. Zusätzlich werden

exemplarisch die Vakuumschalter von chinesischen und europäischen Vakuumschalter-Hersteller verglichen.

Abstract

In this Seminar the basis, the Application area and different kinds of circuit breaker were first explained. Then the

Vacuum circuit breaker which used in medium voltage area was explored. The structure, contact form, historic

development, the modern status and some Chinese product of the vacuum circuit breaker were investigated. Its merit

and comparisons with other circuit breaker will be also explained.

1 Einleitung

Unter Schaltung wird die Trennung und Herstellung einer

elektrischen leitenden Verbindung durch einen Schalter

verstanden. Bei der Übertragung und Verteilung

elektrischer Energie zwischen Erzeuger und Verbraucher

haben Schaltgeräte unterschiedlichste Aufgaben [1]. In

elektrischen Energieversorgungsnetzen können je nach

Fehlerfall oder unsachgemäßer Anwendung

kurzschlussströme fließen, die um ein vielfaches höher

sind als die Betriebsströme. Kurzschlussströme müssen

schnell abgeschaltet werden, um den Schaden im Netz zu

minimieren. Für diese Aufgabe braucht man

Leistungsschalter [2]. Verschiedene Kontaktgeometrien

nutzen unterschiedliche physikalische Prinzipien, um den

bei der Trennung der Kontaktstücke entstehende

Lichtbogen zu löschen[4]. Es werden unterschiedliche

Schaltgeräte für die verschiedenen Spannungsebenen

eingesetzt. Im Mittelspannungsbereich wird heute

hauptsächlich der Vakuumschalter verwendet, weil er im

Vergleich zu mechanischen Schaltern mit anderen

Löschmedien wartungsarm und sehr zuverlässig ist [1].


Ein Leistungsschalter ist ein mechanisches Schaltgerät. Er

hat vorallem das Vermögen Kurzschlüsse abzuschalten.

Zur Gruppierung ergeben sich der nullpunktlöschende

Leistungsschalter und der strombegrenzende

Leistungsschalter. Zum Löschen der beim Schalten

entstehenden Lichtbogen gibt es verschiedene

Löschmedien. Z.B. Luft, Isoliergas SF6, Öl und Vakuum.

[7]

Der Grundstein der Vakuumtechnik wurde durch den

deutschen Physiker Friedrich Paschen im Jahre 1889

gelegt. Die erste Entwicklung eines Vakuumschalters

befindet sich im Jahre 1926. Die erste Patentierung wurde

1930 in den USA angemeldet. Danach begann eine stetige

Erforschung und Entwicklung des Vakuumschalters. [5]

Die Vorteile des Vakuumschalters werden durch hohe

elektrische und mechanische Lebensdauer,

Wartungsfreiheit, einen konstant niedrigen

Kontaktwiderstand, geringen Kontakthub und geringe

bewegliche Masse, robuste und kompakte Bauweise

ausgezeichnet [4]. Der Vakuumschalter besitzt auch eine

hohe elektrische Festigkeit und eine schnelle

Wiederverfestigung bei kleinen Kontaktabständen und

geringer Baugröße [5].

Das Vakuumschaltprinzip wird heutzutage vorwiegend im

Mittelspannungsbereich bis zu 84 kV eingesetzt [3]. Er

hat im Mittelspannungsbereich einen sehr breiten und

großen Markt gefunden. Der Vakuumschalter hat in 3 kV

bis 38 KV-Anwendungen bis 2010 einen Marktanteil von

75% erreicht [4]. Vakuumschalter werden überwiegend

als einpolige und dreipolige Schaltgeräte ausgeführt und

aus einer bzw. drei Vakuumschaltkammern(eine je Phase)

aufgebaut. Die Aufgabe des Antriebs(Magnet oder

Federspeicherantrieb) ist es, dass die Schaltröhren auf

Schalthub zu öffnen oder zu schließen [6]. Für das

Kontaktdesign werden drei verschiedene Kontaktformen

unterschieden: Plattenkontakt, RMF-Kontakt oder TMF-

Kontakt und AMF-Kontakt [4].


3 Literatur

[1] Hans, Joachim, Lippmann, Schalten im Vakuum

,Berlin: VDE, 2003

[2] Stefan Giere, Vakuumschalttechnik im

Hochspannungseinsatz, Göttingen: CUVILLER

VERLAG, 2004

[3] Timo Wenzel; Einsatz von Vakuum-

Leistungsschaltern in Flexible AC Transmission

Systems(FACTS); 2011

[4] Kathrin Steinke; Verhalten unterschiedlicher

Kontaktsysteme in Vakuumleistungsschaltern bei

hohen Schaltungsleistungen; 2008

[5] Florian Körner; Kontaktverhalten von

Vakuumschaltern beim kapazitiven Schalten;

2008

[6] Christian Peter Wolf, Experimentelle

Untersuchung des Hochstrom-Vakuumbogens auf

Transversal-Magnetfeld-Kontakten, Verlag Dr.

Hut, München; 2013

[7] Ernst Slamecka, Prüfung von Hochspannungs-

Leistungsschaltern; 2013


Zwangskommutierung in Hybridschaltgeräten. Wann ist sie sinnvoll?

Constrained commutation in Hybrid Circuit Breakers.

Björn Methner, Institut für Hochspannungstechnik und elektrische Energieanlagen – elenia, Braunschweig,

[email protected]

Kurzfassung

DC – Netze erhalten in der heutigen Zeit eine wichtige Stellung. Gleichhochspannungsnetze werden gebaut, DC –

Systeme werden auf Schiffen und Flugzeugen verwendet und fast jedes Gerät im Haushalt benötigt Gleichstrom. Um

der Nachfrage nachzukommen, werden Schalter benötigt, die den hohen Strömen und Spannungen standhalten. Weitere

Aspekte bei dem Design eines Schalters sind außerdem Schaltzeit, Verluste, Größe, Wartung etc. Um die Vorteile eines

mechanischen Schalters (MS) und eines Halbleiterschalters (HS) zu vereinen hat man die beiden Elemente

zusammengeschaltet. Das Ergebnis ist ein Hybridschaltgerät (HSG), welches in Zukunft die DC – Versorgung

effizienter sichern soll.

Abstract

DC grids get more important in the present time. This led up to an increasing demand for DC circuit breakers, which

can be found in high voltage DC grids and on ship and plane DC systems e.g. Mechanical circuit breakers face the

problem of long switching times and arcing which leads to erosion and damage. Power semiconductors don’t have these

issues, but power loss is a serious problem. Therefore, hybrid switches combine both techniques and advantages.

1 Einleitung

Mechanische Schalter sind in der Lage hohe Ströme mit

geringen Verlusten zu übertragen, jedoch entstehen beim

Öffnen eines mechanischen Schalters Lichtbögen.

Verluste, Schäden und ein hoher Wartungsaufwand sind

oftmals die Konsequenzen.

Halbleiterschalter eliminieren die Nachteile eines

mechanischen Schalters. Schnelle Schaltzeiten sind ein

großer Vorteil bei den Halbleitern. Bedenken sollte man,

dass bei der Verwendung eines Halbleiterschalters

vergleichsweise hohe Verluste auftreten. Kühlung und

niedrigere Stromtragefähigkeiten sind weitere Aspekte.

Eine Lösung für diese Probleme stellt ein Hybridschalter

dar. Je nach Bauweise kann ein Hybridschalter für DC als

auch für AC Anwendungen Verwendung finden.

Interessant wird die Bauform in DC Anwendungen, da

weder Spannung noch Strom natürlicherweise durch den

Nullpunkt verlaufen. In AC Systemen hat man mit dieser

Schwierigkeit nicht zu tun. Aufgrund dessen hat man in

DC Systemen zwei Methoden zur Nullerzeugung

entwickelt. „Zero Voltage Switching“ (ZVS) und „Zero

Current Switching“ (ZCS) werden diese genannt. ZVS

erzeugt niedrige Spannungsverhältnisse, während ZCS für

niedrige Stromverhältnisse beim Schalten sorgt um

Lichtbögen wie beim mechanischen Gegenstück zu

vermeiden.


Das einfachste Modell zur Realisierung eines

Hybridschalters wäre ein mechanischer Schalter und

parallel dazu schaltet man einen Halbleiterschalter. Als

Halbleiterschalter kann man beispielsweise einen IGBT,

(MOS)FET oder auch Thyristor verwenden.

Im Normalfall ist der mechanische Schalter das leitende

Element. Kommt es zu einem Fehler und das System

detektiert einen sehr hohen Fehlerstrom, so wird der

Halbleiterschalter angeschaltet. Der mechanische Schalter

wird geöffnet und es entsteht ein Lichtbogen. Nun beginnt

der Strom in den Halbleiter zu kommutieren, da dieser

Pfad eine geringere Impedanz aufweist. Der mechanische

Schalter wird elektrisch entlastet und baut seine

dielektrische Stärke wieder auf, sodass ein Lichtbögen

sich nicht erneut formen kann. Der mechanische Schalter

ist nun vollständig geöffnet. Folglich wird der

Halbleiterschalter ausgeschaltet und die restliche

gespeicherte Energie im System wird durch ein ebenfalls

parallel liegendes Glied (Varistor, Widerstand oder

Kapazität) absorbiert. Zur Limitierung von

Spannungsspitzen können Dämpfungsglieder eingebaut

werden (bspw. RC-Glied).

Um das System wieder in Betrieb zu nehmen, wird

zunächst der Halbleiterschalter angeschaltet. Der Strom

beginnt durch den Halbleiter zu fließen. Danach wird der

mechanische Schalter geschlossen und abschließend der

Halbleiterschalter wieder abgeschaltet.

3 Literatur

[1] A. Hassanpoor, J. Häfner und B. Jacobson,

Technical Assessment of Load Commutation

Switch in Hybrid HVDC Breaker, 2014.

[2] D. Bösche, E. Wilkening, H. Köpf und M. Kurrat,

Hybrid DC Circuit Breaker Feasibility Study,

Braunschweig: 2015.


Einfluss des Kontaktmaterials auf die minimale Lichtbogenspannung

Influence of contact materials on the minimal arc voltage

Einfluss des Kontaktmaterials auf die minimale Lichtbogenspannung, Sebastian Wolf, Institut für Hochspannungstechnik und elektrische Energieanlagen – elenia, Braunschweig, [email protected]

Kurzfassung Der Lichtbogen und seine Eigenschaften sind für Schaltvorgänge von stromführenden Kontakten in allenSpannungsbereichen von außerordentlicher Bedeutung. In der folgenden Arbeit werden verschiedene Entladungstypenvorgestellt und Theorien über qualitative Zusammenhänge zwischen Materialeigenschaften und Kathoden- bzw.Anodenfall präsentiert. Besonders wird auf den Lichtbogen an sich eingegangen.

AbstractThe arc and its properties are important for switching operations of conducting contacts in all voltage ranges. This paperpresents different types of discharges and theories about qualitative connections between properties of materials andcathode respectively anode fall. Of special interest will be the arc.

1 EinleitungDer Lichtbogen und seine Eigenschaften sind beimSchalten von stromführenden Kontakten vonaußerordentlicher Bedeutung. Aus diesem Grund werdenin dieser Arbeit qualitative Theorien über denZusammenhang zwischen Elektrodenmaterialien und-form bzw. -lage vorgestellt.In neueren Literaturwerken [1] findet man häufig keineausreichend begründeten Aussagen über dieseZusammenhänge. Auf den folgenden Seiten werdenAussagen aus [2] und weiteren Quellen über denKathoden- und Anodenfall zusammengetragen undpräsentiert. Zu erst werden einige physikalischeGrundlagen wiederholt um eine Basis zu schaffen, auf derdiese Aussagen aufbauen. Danach wird zunächst auf denAnodenfall eingegangen, da dieser weniger von denMaterialien selbst, sondern von der Form bzw. der Lageder Elektrode beeinflusst wird. Das Kapitel über denKathodenfall ist in zwei Bereiche gegliedert: Zum Einendie unselbstständigen und zum Anderen dieselbstständigen Entladungen. Zu Letzt wird noch imEinzelnen auf den Lichtbogen eingegangen.

2 Theoretische GrundlagenEin Plasma ist ein Gemisch aus neutralen normalenAtomen, neutralen angeregten Atomen, freien Elektronen,freien Ionen und Photonen. Die Anzahl der positiven undnegativen Ladungsträger pro Volumen ist nahezuidentisch, da es sonst durch die Raumladungenauftretenden hohen Feldstärken sofort zu einerVerschiebung der Ladungsträger kommen würden. EinPlasma ist nach außen hin also nur quasineutral. (vgl. [3])Es kann in zwei Typen der Entladungen unterschiedenwerden. Die unselbstständigen Entladungen zeichnen sichdadurch aus, dass bei diesen Energie von Außen in Formvon Strahlung oder Heizleistung einer Glühkathode

zugeführt werden muss. Bei den selbstständigenEntladungen entstehen die Ladungsträger entweder imGas oder an der Kathode ausschließlich durch dieElektrodenspannung.Die Anode hat in den meisten Fällen bei Entladungen nureine passive Rolle. Sie empfängt negative Ladungen.Elektronen treten in die Anodenelektrode ein und gebendabei ihre kinetische Energie und die Austrittsarbeit ab.Negativ geladenen Ionen geben ihre Elektronen ab undfliegen als neutrale Moleküle weiter. Die umgesetzteEnergie kann in Form von Wärme oder Strahlungabgegeben werden.Die Kathode dagegen empfängt nicht nur positiveLadungsträger, sondern ist auch in der Lage Elektronenfür die Entladung zur Verfügung zu stellen. Durch diegeringe Masse der Elektronen werden diese stärkerbeschleunigt als die positiven Ionen, wodurch sie einepositive Raumladung vor der Kathode hervorrufen. Dieseruft einen Abfall des Potentials hervor, den Kathodenfall.Bei den selbstständigen Entladungen ist die Kathodemaßgebend an der Trägerbilanz beteiligt. Die Kathodesendet Elektronen aus, die für die Entladung benötigtwerden, während die Entladung der Kathode die Energiefür die Emission der Elektronen bereitstellt. EmittierteElektronen müssen also auf ihrem Weg zur AnodeEnergie auf verschiedene Arten abgeben. DieseRückführung lässt sich in fünf Mechanismen unterteilen,die bei jeder Entladung in unterschiedlichem Maßeauftreten können. (vgl. [2])In den weiteren Kapiteln wird genauer bei den einzelnenEntladungen drauf eingegangen, wie die Rückführungsich auswirkt.


3 Literatur[1] H. Lippmann, Schalten im Vakuum: Physik und

Technik der Vakuumschalter, Berlin: VDE-Verlag, 2003.

[2] Joachim Dosse und Georg Mierdel, Der elektrische Strom im Hochvakuum und in Gasen, Leipzig: Verlag S. Hirzel, 1943.

[3] Rudolf Seeliger, Angewandte Atomphysik, Berlin: Springer, 1938.


Potentiale von Gleichstrom-Energieversorgungsnetzen

Potentials of DC Power Supply Networks

Christoph Steinmann, B.Sc.

Institut für Hochspannungstechnik und Elektrische Energieanlagen – elenia, Braunschweig, [email protected]

Kurzfassung

Der stetig zunehmende Anteil an regenerativer Energietechnik stellt die Netzbetreiber vor eine neue Herausforderung.

Die fluktuierende Energieerzeugung sowie die oftmals hohe Energieerzeugung in geographisch schwach besiedelten

Gebieten fordern einen Netzausbau. Zunehmende Gleichstromlasten und Gleichstromerzeuger im

Energieversorgungsnetz führen zu der Überlegung, zusätzlich zu dem bestehenden AC Netz weitere lokale Netze,

sogenannte Micro Grids auf DC Basis zu implementieren. Die Vor- und Nachteile der zusätzlichen Gleichstromnetze

sollen in diesem Bericht gegenübergestellt werden.

Abstract

The steadily increasing share of regenerative energy technology poses a new challenge for grid operators. The

fluctuating and often high generation of energy in geographic low populated areas requires a grid expansion. Increasing

DC loads and DC producers in the power grid lead to the idea of implementing additional local networks, called

microgrids, which are based on DC, in addition to existing AC grid. The advantages and disadvantages of the additional

microgrids will be compared in this paper.

1 Einleitung

Dreiphasenwechselstrom ist bis heute der Standard in der

weltweiten Energieversorgung. Die Einfachheit der

Erzeugung im Kraftwerk über Drehfeldmaschinen sowie

die energieeffiziente Transformierbarkeit auf

verschiedenste Spannungsebenen zeichnen die

wesentlichen Vorteile der Drehstromtechnik aus. Ein

weiterer Vorteil sind die technisch einfacheren

Schalthandlungen.

Durch den Wandel der Energieerzeugung und des

Energieverbrauchs in den letzten Jahrzehnten stellt sich

die Frage, ob eine ausschließliche Versorgung mit

Drehstrom und damit einhergehend ein ausschließliches

Drehstromversorgungsnetz in der heutigen Zeit noch

wirtschaftlich ist.


Seit Beginn der Elektrischen Energieversorgung haben

sich die Verbraucher in den Haushalten, der Industrie und

in der öffentlichen Infrastruktur stark verändert.

So wurde zu Beginn des 20. Jahrhunderts der Größte Teil

der elektrischen Energie zur Beleuchtung verbraucht [1].

Heutzutage, wo jeder Haushalt Konsumelektronik besitzt,

wird ein großer Teil der Energie für die Unterhaltungs-

und Informationstechnik benötigt. Moderne

Flachbildfernseher oder Computer benötigen

ausschließlich Gleichstrom. Auch In der

Beleuchtungstechnik gab es in den letzten Jahren einen

Wandel. Immer häufiger wird die Energiesparsamere

LED Technik eingesetzt, welche ebenfalls ausschließlich

mit Gleichstrom betrieben werden kann. Der größte

Aspekt ist die immer stärker zunehmende

Energieversorgung von Kraftfahrzeugen.

Die Bundesregierung fordert, dass bis zum Jahr 2020 eine

Millionen Elektrofahrzeuge in Deutschland angemeldet

sind [2]. Fahrzeuge, in denen ausschließlich Gleichstrom

gespeichert wird. All die genannten

Gleichstromelektrogeräte werden aktuell jedoch aus dem

400V AC Verteilnetz gespeist. Dadurch muss in den

meisten Fällen ein Netzteil vorgeschaltet werden. Durch

Regenerative Energietechnik wie zum Beispiel

Photovoltaikanlagen wird Gleichstrom erzeugt. In

Windkraftanlagen befindet sich ein

Gleichstromzwischenkreis. Der Gleichstrom wird dann

verlustbehaftet über Wechselrichter in Drehstrom

umgewandelt. Dieser Schritt entfällt, wenn die Anlagen

direkt in ein Gleichstromnetz einspeisen. Weiterhin ist ein

Gleichstromnetz verlustärmer als ein gleichwertiges AC

Netz, da Skin Effekte und die Bereitstellung von

Blindleistung entfällt [3]. Diese Aspekte führen zu der

Überlegung, in Bereichen in denen hauptsächlich

Gleichstrom verbraucht wird, sogenannte Micro Grids auf

DC Basis zu implementieren. Dies kann zu einer besseren

Wirtschaftlichkeit und einem geringeren

Energieverbrauch beitragen.

Im Folgenden sollen unterschiedliche DC-Netzaufbauten

und die Implementierung von Verbrauchern analysiert

und bewertet werden.


3 Literatur

Internetseiten zuletzt aufgerufen am: 11.05.2017

[1] J. Schmiesing, Vorlesungsskriptum Technologien

der Verteilungsnetze, Braunschweig: 2016

[2] https://www.bundesregierung.de/Webs/Breg/DE/

Themen/Energiewende/Mobilitaet/podcast/_node.

html

[3] DC Power Systems: Challenges and

Opportunities, M. Saeedifard et al. IEEE Paper:

2010


State of the Art of MVDC Power Supply Networks

Adrian Berg,

Institut für Hochspannungstechnik und Elektrische Energieanlagen – elenia, Braunschweig, A.Berg@tu-

braunschweig.de

Abstract

This report presents a state of the art of medium voltage direct current (MVDC) in power supply networks. With the

problems of the flexibility of energy production in times of renewable energy, it is important to find an alternative to

alternate current (AC) transmission. After big improvements in the high voltage direct current (DC) transmission there

are also many studies in MVDC to prove the technical utilize. This paper highlights the need for these kinds of

networks and shows different studies in this field. One of the main areas for MVDC are the collection grids for offshore

power plants. Besides technical proved cables and converters one main problem occurs today: the existence of adequate

switches and failure systems for DC transmission on the market.

1 Introduction

Historically the energy transmission and distribution has

been started with the inventions by Thomas Edison. He

developed engines which produce direct current from

steam power [1]. This led to a direct current transmission

and distribution system at the beginning of electrical

revolution. Today most networks contain alternate current

(AC), this was a conclusion of the better efficiency by

transporting the energy without huge losses. With

transformers, it is easy to transform the voltage from a

low to a higher lever without huge losses [1].

This is needed to transport the power over large distances,

which is more efficient on a high voltage and a low

current. They are based on a three-phase system which is

divided up in four main voltage areas. Medium voltage is

the main topic of this paper and is from 10 kV up to 20

kV and for operating power from 20 MVA up to 50 MVA

in today´s networks [2].

This provides to a new problem. Today´s energy

production is more and more disabled from the places

where it is needed. A good example are offshore wind

turbines. To connect these producers, a high voltage is

needed but with the AC-Technology not feasible. With

high voltage and frequency, the reactive power of a cable

is too high. This provides to high losses or the worst case

no energy transport [2]. These losses can be avoided with

direct current (DC). Typical limits are the resistive and

thermal losses of a cable. The studies main intention is to

proof the technology for DC transmission in different

fields of applications. This contains also the questions like

which kind of transmission line is the best, which fault

management is feasible and if the practicality with

applicate directives is given.

2 Theoretical fundamentals

One main part of MDVC is the converter station. The vast

difference compared to AC is the lacking utility of

transformers due to the static voltage [2]. To change the

current from AC to DC or vice versa today two main

technologies are in use. The Thyristor-Based CSC

transmission or silicon-controlled rectifier (SCR) is an

only solid-state switch technology for high power and

long distance transmission [3].

For high flexibility, the VSC Transmission is in use based

on the Integrated Gate Bipolar Transistor (IGBT). This

system is capable of supplying reactive power and

changing the active power in each direction of the link.

Both technologies are using big capacitance to smooth the

output voltage [3].

The typical transmission grid for an offshore wind park

has several components. The turbine produces AC on a

different range of voltage due to the changing wind force.

This current pass a one-phase multilevel rectifier to

change the AC to DC, continued by a DC link connected

with a one-phase inverter which feeds a high frequency

resonant link. This transformation is needed to reach the

maximum DC voltage which is stated for the MVDC

transmission. Ultimately the AC is converted with a

rectifier and passes through voltage smoothing devices. In

most technical applications, the voltage is divided in two

areas. With the earth as a reference point the rectifier

emits an output with a positive and negative voltage. The

MVDC is connected in between these two voltages and

transmits the maximum voltage level with the help of

XLPE cables [4].

3 Literature

[1] Dale R. Patrick, Electrical Distribution Systems,

Lilburn: The Fairmont Press, 2009.

[2] H. Heuck, K.-D. Dettmann and D. Schulz,

Elektrische Energieversorgung, Wiesbaden:

Springer Vieweg, 2009.

[3] J. Arrillaga, Y.H. Liu and N.R. Warson, Flexible

Power Transmission, England: John Wiley & Sins

Ltd, 2007

[4] M. T. Daniel, H. S. Krishnamoorthy. P. N. Enjeti,

A New Wind Turbine Interface to MVDC Grid

with High Frequency Isolation and Input Current

Shaping, Texas: IEEE, 2014


Normative Isolierstoffcharakterisierung in der Hochspannungstechnik

und im Explosionsschutz

Normative characterization of insulating material in high voltage

applications and explosion protection

Niklas Rühmann, Institut für Hochspannungstechnik und elektrische Energieanlagen – elenia, Braunschweig,

[email protected]

Kurzfassung

Dieser Bericht geht auf Grundlagen des Explosionsschutzes ein und welche Bedeutung der Elektrotechnik auf diesem

Gebiet zusteht. Es wird erläutert, welche Größen den elektrischen Widerstand eines Probekörpers beeinflussen und wie

er gemessen werden kann. Außerdem wird gezeigt, wie der spezifische elektrische Widerstand aus den Messwerten und

Abmessungen von Probekörper und Elektroden berechnet werden kann.

Abstract

This report covers the basics of explosion protection and the importance of electrical engineering in this field. There is

explained which parameters influence the electrical resistance of a test item and how it can be measured. Furthermore

there is shown how the specific electrical resistance can be calculated from the measured data and dimensions of test

item and electrodes.

1 Einleitung

Isolierstoffe bilden einen wichtigen Zweig der

Hochspannungstechnik, da sie unter anderem die sichere

Trennung von Potentialen sicherstellen sollen. Außerdem

gibt es je nach Einsatzgebiet gewisse mechanische und

chemische Anforderungen an die Isolierstoffe. [1]

Um die Konformität zu diesen Anforderungen

sicherzustellen gibt es für die einzelnen Bereiche

Werkstoffprüfungen, die der Isolierstoff bestehen muss.

Der Explosionsschutz stellt einige spezielle

Anforderungen an verwendete elektrische Anlagen und

Isolierstoffe. Für eine Explosion sind drei Komponenten

erforderlich: Sauerstoff, Zündquelle und ein fein verteilter

brennbarer Stoff. Um eine Explosion zu unterbinden

dürfen nicht alle Komponenten gleichzeitig an einem zu

schützenden Ort vorhanden sein. [2]

Elektrischer Strom stellt hierbei eine Zündquelle dar,

deren wirksam werden unterbunden werden muss.

Beispielsweise sind elektrostatische Auf- und Entladung,

Potentialunterschiede und Erwärmung durch fließende

Ausgleichsströme mögliche Zündquellen. Auf der

Oberfläche fließende Ströme sind hierbei besonders

kritisch. [3]

Der folgende Bericht befasst sich mit der

Charakterisierung von Isolierstoffen nach den Normen

IEC 60079-0 und IEC 60079-32-2 aus dem

Explosionsschutz und der IEC 60093 aus der

Hochspannungstechnik. Es werden auf die dort

beschriebenen Methoden der

Oberflächenwiderstandsmessung eingegangen und die

jeweiligen Besonderheiten hervorgehoben.


Die Güte eines Isolierstoffs wird unter anderem durch

seinen spezifischen elektrischen Widerstand bestimmt.

Hierbei wird zwischen Durchgangswiderstand und

Oberflächenwiderstand unterschieden.

Der Durchgangswiderstand eines Probekörpers hängt von

Temperatur, Feldstärke, Beanspruchungszeit und

Feuchtigkeit ab. Der Oberflächenwiderstand weist

zusätzlich eine große Abhängigkeit von der

Beschaffenheit eventuell vorhandener Fremdschichten

auf. [4]

Die Prüfnormen schreiben vor, wie

Durchgangswiderstand und Oberflächenwiderstand

experimentell zu ermitteln sind. Auf den Probekörper

werden nach Normvorgaben Elektroden aufgebracht. Nun

kann der jeweilige Widerstand direkt über ein Messgerät

ermittelt werden, oder er kann indirekt über den Abgleich

einer Wheatstone-Brücke bestimmt werden. Mit den

Formeln (1) und (2) lassen sich die spezifischen

Widerstände aus den Messwerten und Abmessungen von

Prüfling und Elektroden berechnen. [5]

𝜌 = 𝑅𝐷 ∙𝐴

ℎ (1)

𝜎 = 𝑅𝑂 ∙𝑝

𝑔 (2)

mit:

ρ spezifischer Durchgangswiderstand

RD gemessener Durchgangswiderstand

A Elektrodenfläche auf Probekörper

h mittlere Dicke des Probekörpers

σ spezifischer Oberflächenwiderstand


RO gemessener Oberflächenwiderstand

p effektiver Elektrodenumfang

g Abstand zwischen Elektroden

Mit den berechneten spezifischen Widerständen lassen

sich verschiedene Probekörper vergleichen. Somit wird es

möglich Rückschlüsse auf die Eignung des Isolierstoffs

für den gewünschten Anwendungsbereich zu ziehen.

3 Literatur

[1] M. Beyer, W. Boeck, K. Möller, W. Zaengl,

Hochspannungstechnik – Theoretische und

praktische Grundlagen für die Anwendung, Berlin,

Heidelberg, New York: Springer-Verlag, 1986.

[2] Physikalisch-Technische Bundesanstalt,

Grundprinzipien des Explosionsschutzes. [Online].

Available:

http://www.ptb.de/cms/ptb/fachabteilungen/abt3/ex

schutz/ex-grundlagen/grundprinzipien-des-

explosionsschutzes.html [Zugriff am 30.04.2017].

[3] Bundesanstalt für Arbeitsschutz und

Arbeitsmedizin, Technische Regeln für

Betriebssicherheit TRBS 1112 Teil 1

„Explosionsgefährdungen bei und durch

Instandhaltungsarbeiten – Beurteilung und

Schutzmaßnahmen“. [Online]. Available:

https://www.baua.de/DE/Angebote/Rechtstexte-

und-Technische-

Regeln/Regelwerk/TRBS/pdf/TRBS-1112-Teil-

1.pdf?__blob=publicationFile&v=2 [Zugriff am

28.04.2017].

[4] A. Küchler, Hochspannungstechnik – Grundlagen

– Technologie – Anwendungen, Berlin,

Heidelberg, New York: Springer-Verlag, 2005.

[5] Internationale Elektrotechnische Kommission, DIN

IEC 60093 Prüfverfahren für Elektroisolierstoffe,

Brüssel, 1993.


Eigenschaften und Verhalten der Bogenrestgassäule in Schaltstrecken der Niederspannungstechnik

Properties and behavior of the residual arc gas column in low voltage arc gabs

Janine Gläßner Institut für Hochspannungstechnik und elektrische Energieanlagen – elenia, Braunschweig, [email protected]

KurzfassungUm die Eigenschaften und das Verhalten der Bogenrestgassäule zu verstehen, sind die Grundlagen eines Lichtbogenswichtig. Zunächst wird die Motivation des Themas erklärt, um dann das auftreten und eine mathematischeBeschreibung des Lichtbogens in Form eines Gleichungssystems zu erläutern. Mit diesen Hilfsmitteln ist auch dieBeschreibung der Restgassäule verständlich. Zum Schluss wird eine mögliche mathematische Beschreibung betrachtet.

AbstractThe foundations of a arc are important to understand the properties and behavior of residual arc gas columns. At firstthe motivation is shown and the entrance of arcs is explained. Then a mathematical calculation in form of a system ofequations is offered to the readers. With these tools the description of arc residual gas columns is understandable. Atleast there is a mathematical description explained.

1 EinleitungLeistungsschalter dienen zum Schutz vor Kurzschlüssenoder Überschlägen. Kommt es zu einem Kurzschluss,unterbricht ein solcher Schalter diesen. Die Kontaktewerden geöffnet. Die Öffnungsstrecke wird in Form einesLichtbogens überbrückt. Nachdem der Lichtbogenerloschen ist, besteht die Gefahr eines erneutenLichtbogens.[3] Warum diese Gefahr besteht möchte ichherausfinden und werde mich deshalb mitBogenrestgassäulen in Niederspannungsschaltstreckenbeschäftigen.

2 Theoretische GrundlagenSchaltet man einen induktiven Stromkreis aus, kommt eszwischen den Kontakten zu einer Gasentladen, demLichtbogen. Unterschreiten Strom und Spannungbestimmte Grenzwerte, erlischt dieser. Um denLichtbogen zu erhalten muss eine absolute Spannung vonmindestens 25V und ein Strom von mindestens 0,5Aaufrecht erhalten werden.[2]

Eine mögliche mathematische Beschreibung desLichtbogens ist das folgende Gleichungssystem aus denSäulengradienten, der Poisson-Gleichung, derTrägerbilanz, den Gleichungen für den Elektronenstromund der Ionenstromdichte, der Leistungsbilanz und derSaha-Gleichung:

Abbildung 1: W. Rieder, Plasma und Lichtbogen, Braunschweig: Friedr. Vieweg & Sohn, 1967, Seite 76,77

Das größte Problem bei der mathematische Beschreibungist das lösen den Gleichungssystems. Um dies zuvereinfachen nimmt man an, dass es sich um stationäreVerhältnisse handelt. Des weiteren geht man davon aus,dass es keine Raumladung, keine Störung durch dieElektroden und kein Magnetfeld gibt. Auch derKonvektionsstrom wird vernachlässigt. Mit diesenAnnahmen kann das Gleichungssystem gelöst werden.

Eine wichtige Eigenschaft ist die, den Elektrodenzugeführte, Wärmeleistung. Diese ist in vielen Bereichenvon technischer Bedeutung. In Schaltern zum Beispielmuss diese Leistung abgeführt werden. DieWärmeleistung wird proportional zur Stromstärkeerwartet. Für Bogenlängen unter 1cm ist die Leistungstark längenabhängig. Mit zunehmender Bogenlängesteigt die Wärmeleistung erst rasch an und steigt dannlangsam weiter an. Dies gilt für stationäre Lichtbögen.[1]

Bei Wechselstrombögen müssen zusätzlichTrägheitseffekte beachtet werden. Diese sind für die

f =−grad V

div f =eε0

(N i−N e)

div( ji+ j e) = e((∂N i)

(∂ t )−

( ∂N e)

(∂ t))

j e = eN ebe f+eDegradN e−2eNi be2[ fx]−eN eωe

j i = eN ibi f +eD i gradN i−2eN i bi2[ fx ]−eN iω i

f ( j i+ je) = div(κ grad T )+Str (T)+γ cpωk grad T+ω i((∂ N e)

(∂ t )−1ediv j e)−γc p

dTdt

N i∗N e = const∗p∗T12 e

(−W i)

kT


dynamische Bogenkennlinie verantwortlich. DieTemperaturverteilung und der Leitwert des Bogens,welcher von der Gasart, vom Druck und von derTemperatur abhängt, passen sich nur verzögert denGleichgewichtswerten an. Die Verzögerung liegt an derWärmekapazität des Plasmas. Es kann bei sehr schnellenÄnderungen zu Unterschieden zwischen der Elektronen-und Gastemperatur kommen. Die Trägheit des Leitwertesbewirkt eine Restleitfähigkeit im Stromnulldurchgang.Kommt die Spannung wieder und übersteigt dessenWärmeleistung die abgeführte Wärme, kommt es zurthermischen Wiederzündung. [4]

Tritt keine thermische Wiederzündung ein, kann einSchalter jedoch später, während die Spannung weiteransteigt, noch durch einen Durchschlag dielektrischwieder gezündet werden. Vorwiegend beeinflussen dieWellenlängen der Teilchen die dielektrische Festigkeit.Das abkühlende Gas kann an den Kontakten sehrinhomogen sein. [4,5]

3 Literatur

[1] W. Rieder, Plasma und Lichtbogen, Braunschweig: Friedr. Vieweg &Sohn, 1967

[2] W. Bieneck, Elektro T Grundlagen der Elektrotechnik, Stuttgart: Holland+Josenhans Verlag, 7.durchgesehene Auflage, 2010

[3] G. Lesch, herausgegeben von E. Baumann, Lehrbuch der Hochspannungstechnik, Berlin/Göttingen/Heidelberg: Springer Verlag, 1959

[4] M. Lindmayer, Schaltgeräte Grundlagen, Aufbau, Wirkungsweise, Heidelberg: Springer Verlag, 1987

[5] G. Hosemann, Elektrische Energietechnik Band 3:Netze, Berlin/Heidelberg: 1988


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