Einer für alle

Titelstory

Stromnetz - Mit dem Ausbau der Erneuerbaren steigen die Anforderungen an den Netzbetrieb. Siemens hat einen Hybrid-Einspeiseumrichter entwickelt, damit Netzbetreiber moderne Applikationen realisieren können und zugleich der bestmögliche Betrieb von Wind- oder PV-Anlagen gesichert ist.

29. Mai 2017

Die Zukunft baut in weiten Teilen auf regenerative Energien aus Windkraft, Solar und Biogasanlagen und löst damit sukzessive die klassischen Energieträger Kohle, Öl, Gas und Atomkraft ab. Im gleichen Maß ist es wichtig, die elektrische Energie aus regenerativen Quellen möglichst effizient und homogen in Netze einzuspeisen, sodass wie bisher die geforderte Netzqualität und Netzstabilität auch langfristig erreicht wird. Daneben entwickelt der Markt der dezentralen Energieerzeugung viele weitere Lösungen wie Brennstoffzellen, Batteriesysteme oder intelligente Stromnetze für eine zuverlässige Energieversorgung.

Erzeuger und Speicher

Für all diese Aufgabenstellungen verfolgt Siemens einen vollkommen neuen Ansatz für einen standardisierten anschlussfertigen Hybrid Umrichter, der alle erforderlichen Netzfunktionen erfüllt.

Das Entscheidende am Sinacon Hybrid Converter (Sinacon HC) ist, dass unterschiedliche Gleichspannungs-Energiequellen kombiniert mit einem gemeinsamen Einspeiseumrichter ins Netz eingespeist werden können.

Der Vorteil eines Hybrid-Einspeiseumrichters für Netzbetreiber ist, dass durch das Kombinieren unterschiedlicher Energiequellen mit Energiespeicher hinter dem Umrichter im Zwischenkreis können neue Einspeisekonzepte realisiert werden, die eine stetigere Einspeisung in das Netz ermöglichen.

Anlagenbetreiber und Investoren können mit dem System neue Ansätze und Betriebsarten realisieren. Dadurch ergeben sich einige wesentliche Systemvorteile gegenüber Lösungen, die die Quellen auf der Verbraucherseite – also erst nach der AC-Wandlung – kombinieren. Einer der wichtigsten Aspekte beim weiteren Ausbau regenerativer Energien ist neben der Netzqualität auch die Netzstabilität. Insofern gewinnen Speicherlösungen zunehmend an Bedeutung. Auch hierfür eignet sich der Sinacon HC in idealer Weise und untermauert damit den Trend zur rasanten Entwicklung von Speichertechnologien für die stationäre Energieversorgung.

Qualität und Stabilität

Kurz gesagt, der neue Ansatz von Siemens folgt der Prämisse, durch Kombinieren von regenerativer Energieerzeugung plus Energiespeicherung Einsatzspektrum und Effizienz von regenerativen Energieanlagen weiter zu steigern.

Beispielsweise können die Energiequellen, die ihrerseits vollkommen unterschiedliche Charakteristika aufweisen dürfen, zeitgleich betrieben werden.

In erster Linie sind das DC-Quellen wie PV-Systeme, Brennstoffzellen, stationäre Batteriesysteme und teilweise auch AC-Quellen, die zusammen kombiniert werden.

Netzkonformität

Der Unterschied zu bisherigen Lösungen, bei denen jede Energiequelle einen eigenen Umrichter beziehungsweise Wechselrichter benötigt, ist, dass mit dem Sinacon HC das Balancing zwischen den einzelnen Quellen einfacher gestaltet werden kann und Komplexität im System reduziert wird.

Dabei betont Siemens ausdrücklich, dass der Sinacon HC der erste Standard-Hybrid-Einspeiseumrichter ist, der die Einspeiserichtlinien in vollem Umfang erfüllt und mit seinem Netzkonformen-Verhalten zum Stützen von Netzen genutzt werden kann.

Denn immer wieder kommt es vor, dass Kraftwerke eingreifen müssen, um hohe Anteile an regenerativen Energieformen zu tolerieren. Damit unterstreicht der Hersteller ein weiteres Mal seine Rolle als Trendsetter und etabliert ab Herbst 2017 die ersten drei Anlagengrößen 250 kW, 500 kW und 1.000 kW für die weltweiten Energiemärkte.

Markteinführung im Herbst

Ab Ende 2017 soll dann noch eine größere Variante für Leistungen bis 1.500 kW hinzukommen. Die DC-Spannungen liegen dabei in einem weiten Bereich von 100 V bis 1150 V, was allein schon die große Einsatzbreite der Geräte dokumentiert. Wichtig für die Anwender ist, dass es die Geräte typgeprüft und mit vordefinierten Standard-Konfigurationen gibt.

Dabei sind selbst im reinen Batteriespeicherbetrieb Mischsysteme mit unterschiedlichen Speichertechnologien denkbar, was den flexiblen Einsatz des Sinacon HC weiter unterstreicht. Ein Beispiel: Damit lassen sich Lithium-Ionen-Batterien mit einem hohen Spannungsbereich und Redox-Flow-Systeme mit niedrigem Spannungsbereich am gleichen Hybridconverter anschließen. Jede Quelle kann mit jedem Spannungsbereich kombiniert werden. Die Geräteregelung bindet die einzelnen DC-Steller optimal in den Zwischenkreis ein und sorgt so für eine möglichst effiziente Energieausbeute, die dem Netz auf der AC-Seite zur Verfügung gestellt wird.

Busbasierte Kommunikation

In der ersten Entwicklungsstufe können mit bis zu drei DC-Stellern maximal drei separate Energiequellen auf der Quellenseite genutzt werden, während Siemens mittelfristig daran arbeitet, die Anzahl der anschließbaren DC-Stellern zu erweitern Entscheidend ist, dass der Sinacon HC netzkonforme und oberschwingungsarme elektrische Energie liefert und einfach über Profinet beziehungsweise Modbus TCP in eine übergeordnete Anlagensteuerung eingebunden werden kann.

Damit eignet sich der Einspeiseumrichter ideal für den On-Grid-Einsatz, also zur netzkonformen Energieeinspeisung ins öffentliche Netz gemäß Einspeiserichtlinie. Das gleiche gilt für Off-Grid-Anwendungen unterschiedlichster Ausprägung. Beispielsweise ist der Sinacon HC in der Lage, aus mehreren Energieerzeugern ein Inselnetz zu speisen. Ein weiterer denkbarer Anwendungsfall beim Off-Grid-Einsatz ist die individuelle Anpassung von Netzspannung und -frequenz, um so aus einem öffentlichen Netz ein individuelles Versorgungsnetz für Campus, Fabriken oder Industrieparks zu erzeugen. In diesem Zusammenhang ist auch die Schwarzstartfähigkeit ein wichtiges Feature des Sinacon HC. Das Gerät ist in der Lage nach dem Anliegen von Spannung auf der Quellenseite das Netz auf der Sekundärseite aufzubauen. Mit dem anschlussfertigen Einspeiseumrichter Sinacon HC unterstützt Siemens den rasant wachsenden Markt der dezentralen Energieerzeugung.

Zeitgemäße Netzapplikationen

Durch die Möglichkeit, dass bis zu drei unterschiedliche DC-Quellen ihre Energie direkt in den gemeinsamen Zwischenkreis liefern, ergeben sich sekundärseitig eine Reihe von Vorteilen. Allen voran die effiziente Nutzung der elektrischen Energie mit zusätzlichen Synergien und Vorteilen im System.

Die skalierbaren Standardgeräte sind nach den lokalen Netzcodes zertifiziert und besitzen alle nötigen Zulassungen für den Betrieb an öffentlichen Netzen.

Yusuf Gündüz (Siemens)

Anschlussregeln

Die Gremien von VDE/FNN arbeiten derzeit an der Weiterentwicklung der Anschlussregeln von Kundenanlagen (VDE-AR-N 4100 und VDE-AR-N 4105). Dezentrale Erzeugungsanlagen werden sich künftig netzdienlicher verhalten müssen.

Konkret sind derzeit folgende Anforderungen für dezentrale Erzeugungsanlagen geplant:

• Anlagen sollen am Netz bleiben, auch wenn kurzzeitig die Spannung einbricht, etwa wegen eines Kurzschlusses.

• Anlagen sollen abhängig von der aktuellen Spannung am Anschlusspunkt die Netzspannung stützen (Einspeisung von Blindleistung).

Ein Entwurf für die neue Anwendungs-regel AR-N 4105 soll Mitte 2017 vorgelegt werden, so VDE/FNN.

Interview

Siemens betritt mit dem Hybridkonzept für Umrichter Neuland in Deutschland. Es spiegelt die Realität beim Umbau der Stromerzeugung wider.

Herr Gündüz, das System stellt ein Novum dar auf dem deutschen Markt. Sie müssen quasi Pionierarbeit leisten, oder?

Ja und nein. Unser Hybridansatz ist neu in Deutschland, das stimmt. Die Technik, die eingesetzt wird, ist State of the Art; neu ist die innovative Regelung und Steuerung. Klar, man muss den Markt aufbauen und von unserem Konzept überzeugen.

Aber der Bedarf ist ja da. Sei es für Netzstabilität, sei es für Netzdienstleistungen. Denn wegen der Energiewende müssen bundesweit Speichersysteme installiert werden.

Wer soll das System kaufen?

Es ist vor allem für Systemintegratoren interessant, die eigene Lösungen für Dienstleistungen am Verbundnetz oder Inselnetzanwendungen realisieren wollen.

Zum Beispiel?

Zum Beispiel, um Spitzen zu speichern. Wir haben den gleichen Ansatz mit anderen Produktbereichen bereits bei einem Projekt im Ausland an einem Windpark installiert und mit einem Speicher vor Ort verknüpft. Das geht natürlich auch bei PV-Anlagen, wenn Peakshaving gefordert ist. Etwa wenn die vorhandene Netzinfrastruktur nicht ausgelegt ist für die Größe des PV-Parks; oder der Investor den Park größer auslegen möchte als die Netzinfrastruktur erlauben würde.

Was macht das System aus?

Es erlaubt das Bündeln unterschiedlicher DC-Quellen in einem Umrichter. Sie sollen immer im optimalen Arbeitspunkt sein. Der Spannungsbereich von 100 bis 1150 Volt DC ist auch ideal, um jede Quelle mit jedem Spannungsbereich zu kombinieren. AC- und DC-Anschlüsse sind skalierbar und können flexibel verwendet werden.

Zudem können Speichertechniken wie Li-Io oder Redox-Flow angeschlossen werden. Je nachdem, welches System vor Ort instaliert ist. Speicherspannung und AC-Spannung sind voneinander unabhängig. (hd)

Erschienen in Ausgabe: 05/2017