Energiemonitoring

Siemens: Erneuerbare Energien mindern nicht allein die Stromqualität

Die Kombination aus zunehmender Anzahl sensibler elektronischer Geräte und wachsendem Anteil erneuerbarer Energien birgt ein hohes Ausfall- risiko. Dabei ist nicht nur die wandelnde Struktur des Energiemixes verantwortlich, häufig liegt die Ursache in Planungsfehlern. Energiemanagement-Experte Sebastian Winklmann fordert Unternehmen auf, selbst aktiv werden, um Ausfälle und Stillstandzeiten zu vermeiden. So schaffe ein kontinuierliches Energiemonitoring die technische Basis für die Identifizierung von Power-Quality-Problemen und die Ableitung geeigneter Maßnahmen.

Mit zunehmend komplexeren Prozessen und dem steigenden Einsatz sensibler elektronischer Geräte wachsen die Anforderungen der Industrie an eine sichere und konstante Stromversorgung. (Bild: Siemens)

Ebenfalls problematisch im Hinblick auf die Versorgungsqualität ist die Unbeständigkeit der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen, da es zu Schwankungen und Ungleichgewichten zwischen Erzeugung und Last kommt. „30 bis 40 Prozent aller außerplanmäßigen Anlagenstillstände sind laut European Power Quality Survey Report auf unzureichende Versorgungsqualität zurückzuführen“, erläutert Sebastian Winklmann, Siemens AG, Division Energy Management, Business Unit Low Voltage & Products. Die daraus resultierenden Kosten werden allein in 16 betrachteten europäischen Schlüsselindustrien auf mehr als 150 Milliarden Euro jährlich beziffert (Quelle: J. Manson, R. Targosz, „European Power Quality Survey Report”, Leonardo Energy, 2008).

Erneuerbare Energiequellen haben im Jahr 2016 bereits 29 Prozent zur Bruttostromerzeugung in Deutschland beigetragen und leisten einen wichtigen Beitrag zur Energiewende. Die steigende Stromerzeugung aus Windkraft- und Photovoltaikanlagen und die wachsende Anzahl dezentraler Energieerzeuger nehmen aber auch deutlichen Einfluss auf die Struktur des Stromnetzes. Mit dem Anteil erneuerbarer Energien an der Stromerzeugung steigt die Anzahl von Wechselrichtern im Netz stetig an – und damit die Häufung höherfrequenter Pegel im Stromnetz.

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Der Schlüssel zu einer Verbesserung der Stromversorgung ist die Kenntnis der Gegebenheiten des örtlichen Netzes durch Nutzung aller mit dem System verbundenen Quellen. (Bild: Siemens AG)

Im Rahmen der Energiewende entwickeln sich zudem immer mehr Unternehmen und Privathaushalte zu sogenannten „Prosumern“ – einer Mischform aus „Producern“ (Produzenten) und „Consumern“ (Abnehmern) –, deren Bedarf und Erzeugung noch dazu enormen Schwankungen unterliegen. Während die klassischen Energieversorgungsunternehmen über fundiertes Fachwissen zum Thema Netzqualität verfügen, agieren viele der neuen Prosumer bestenfalls entsprechend den Minimalanforderungen aus Vorschrift und Normung. Der Alltag ist jedoch durch viele Wechselwirkungen aus Erzeugung und Verbrauch geprägt. So haben Unternehmen, die zur Spitzenlastabdeckung auf Photovoltaik setzen – anders als zu erwarten wäre –, an sonnigen Tagen manchmal wenig Grund zur Freude. Unentdeckte Defekte in den PV-Wechselrichtern können zu besonders hoher Leistungseinspeisung und damit zu Unregelmäßigkeiten im Betrieb von Maschinen und Anlagen führen.

„Verantwortlich sind aber nicht immer nur die Wechselrichter im Bereich der erneuerbaren Energien – häufig liegt die Ursache der Probleme viel näher, nämlich im eigenen Unternehmen“, weiß Winklmann. Nichtlineare Verbraucher, wie Motoren mit nichtlinearer Strom-Spannungs-Kennlinie oder Leuchtstofflampen, können PQ (Power Quality)-Probleme verursachen, wie Fehlauslösungen von Leistungsschaltern oder die thermische Belastung von Kondensatoren und Leitungen. Das gilt nicht nur für die Fertigung, sondern auch für Verwaltungsbauten, in denen beispielsweise Netzteile für die Gleichstromversorgung von IT-Infrastruktur, wie Druckern, Notebooks und Servern, die Versorgungsqualität beeinträchtigen können.

Typische Qualitätsprobleme im Netz

Mit den Umwälzungen im Stromnetz gehen eine ganze Reihe unterschiedlicher Qualitätsprobleme einher. Diese können sich zum einen unmittelbar auswirken, beispielsweise in Form von Anlagenabschaltungen oder Datenfehlern. Zum anderen können elektrische Anlagen und Motoren aber auch über einen längeren Zeitraum unbemerkt geschädigt werden. Das Resultat ist eine verkürzte Lebensdauer der Geräte.

Die Messgeräte 7KM PAC aus dem Sentron-Portfolio liefern Information über die elektrische Energieverteilung und wichtige Messwerte zur Beurteilung der Anlagenzustände und Netzqualität. (Bild: Siemens AG)

Zu den Problemen zählen Veränderungen der Netzspannungsamplitude, die aufgrund von Lastwechseln zu Abweichungen der Nennspannung – nach unten oder oben – unter normalen Betriebsbedingungen führen können. Mögliche Auswirkungen sind Anlagenabschaltung durch Unterspannungsauslösung, ein verringerter Wirkungsgrad elektrischer Anlagen sowie deren Überhitzung und thermische Belastung.

Des Weiteren können elektromagnetische Störquellen wie Wechselrichter und nichtlineare Verbraucher unerwünschte Signale im Frequenzband verursachen. Oberschwingungen bezeichnen die von der 50-Hz-Grundfrequenz abweichende Verzerrung der idealen Sinusschwingung durch nichtlineare Lasten im Versorgungsnetz (zum Beispiel Transformatoren, Netzteile für Gleichstromversorgung im IT-Betrieb). Häufige Effekte sind die Fehlfunktion von Leistungsschaltern und Sicherungen, die Störung empfindlicher Elektronik sowie die Überhitzung von Motoren, Transformatoren und Leitungen.

Temporäre Spannungseinbrüche (sags) beziehungsweise Spannungserhöhungen (swells) können durch das Zu- oder Abschalten großer Verbraucher, wie beispielsweise Klimageräten, entstehen. Weitere mögliche Ursachen sind störungsbedingte Kurzschlüsse, eine unterdimensionierte Energieversorgung, aber auch Anlagenausfälle und Schaltvorgänge beim Versorgungsunternehmen. In der Folge kann es zu Speicherverlusten, Datenfehlern, aber auch zu Flickern, also Schwankungen der Beleuchtung, kommen. Zudem verkürzt sich die Lebensdauer von Motoren.

Weitere transiente (kurzzeitige) Störungen werden durch Blitzschlag oder statische Entladungen bewirkt. Diese zeigen sich als Spannungsspitzen oder Impulse, bei denen sich die Spannung plötzlich um mehrere tausend Volt ändert. Tritt die Spannungsänderung mit umgekehrter Polarität auf, spricht der Experte von einem Spannungseinbruch. Dieser kann sich beim Betrieb von Maschinen und Anlagen beziehungsweise IT-Infrastruktur in Hardwareschäden, Datenverlusten oder der Zerstörung von Netzteilen manifestieren.

Gefahr erkannt, Gefahr gebannt

Für den Umgang mit PQ-Problemen und deren Behebung sind für Unternehmen die drei Faktoren Aufmerksamkeit, Überwachung und Reaktion relevant. So sollte Power Quality im Unternehmen als Querschnittsthema verstanden werden. „Das Bewusstsein, dass der Einsatz von Geräten, Maschinen und Anlagen über ihren Aufstellort hinaus Einfluss auf den Produktionsprozess und den Betriebsablauf in anderen Abteilungen nehmen kann, ist essenziell“, so Winklmann. Häufig genüge es nicht, dass Kabelquerschnitt, Sicherungsauslegung und Normung erfüllt sind. „Gerade beim Ersatz netzgespeister Motoren durch drehzahlgeregelte kann es zu schlechter Netzqualität kommen, wenn Details zur Netzverträglichkeit außer Acht gelassen werden.“ Demnach muss der intensive Erfahrungsaustausch zwischen Planern, Anlagenbetreibern und Energiemanagern zu Fragen der innerbetrieblichen Versorgungsqualität im täglichen Geschäft verankert werden.

Um PQ-Probleme identifizieren zu können, müssen diese zunächst erfasst werden. Dazu dient eine Kombination von kommunikationsfähigen Messgeräten und Power-Quality-Recordern mit einer Energiemonitoring-Software. Sie vereinfacht den Vergleich unterschiedlicher Messstellen und die Eingrenzung von Störursachen. Wichtig ist hierbei, dass die Messung in den Geräten nicht vom Netz beeinflusst wird.

Sind die Messgrößen im Messgerät erfasst, können Rückschlüsse auf die Störquelle im System gezogen werden. Der Verursacher von Betriebsstörungen aufgrund verzerrter Netzspannung lässt sich üblicherweise in einer der drei folgenden Gruppen finden: Netzbetreiber, Anlagenbetreiber oder Gerätehersteller. Auch umliegende Haushalte beziehungsweise Kleingewerbe können einen Einfluss auf die Stromqualität haben. „In der Regel stellen jedoch unzureichend ausgelegte Geräte die Störquelle dar“, weiß Winklmann. Lassen diese sich nicht umrüsten, müssen Maßnahmen zur Oberschwingungskompensation durch aktive oder passive Filter eingeleitet werden.

Der Schlüssel zu einer kontinuierlichen Verbesserung der Stromversorgung ist eine genaue Kenntnis der maßgeblichen Gegebenheiten des örtlichen Netzes durch Nutzung aller verfügbaren, mit dem System verbundenen Quellen. Am Markt sind entsprechende technische Lösungen für Energieverbraucher verfügbar, die für die erforderliche Transparenz sorgen. Sie ermöglichen die präzise Messung, Erfassung und Meldung notwendiger Informationen für die kontinuierliche Bestimmung, Anpassung und Verbesserung der Netzqualität. So bietet Siemens ein komplettes Portfolio für die Netzüberwachung, Netzqualitätsaufzeichnung, Störschreibung, zeitsynchronisierte Zeigermessgeräte (Phasor Measurement Units) und Systemsoftwareanwendungen: Eine für Unternehmen wirtschaftliche Lösung ist die Energiemonitoringsoftware Powermanager, die die Visualisierung und Analyse von Energieflüssen ermöglicht.

Netzqualität analysieren

Die Messgeräte 7KM PAC aus dem Sentron-Portfolio liefern umfassende Informationen über die elektrische Energieverteilung und wichtige Messwerte zur Beurteilung der Anlagenzustände und Netzqualität. Im Zusammenspiel bilden sie ein komplettes Energiemonitoringsystem, das einfach in Betrieb zu nehmen und jederzeit erweiterbar ist. Speziell für die Identifizierung möglicher Schwachstellen in Bezug auf die Versorgungsqualität ist der Netzanalysator SICAM Q200 konzipiert. Der multifunktionale Rekorder zur Erfassung und Bewertung der Netzqualität in elektrischen Energieversorgungsnetzen bietet die Möglichkeit einer kombinierten Aufzeichnung und Analyse der Messwerte direkt im Gerät. Die Ergebnisse helfen bei der Definition und Durchführung von geeigneten Maßnahmen, um die erforderliche Versorgungsqualität zu gewährleisten und damit Ausfallzeiten zu reduzieren und die Lebensdauer von Betriebsmittel zu erhöhen.

„Die Energiewende ist bereits in vollem Gang, mit spürbaren Auswirkungen auf die Struktur der Stromversorgung“, beginnt Winklmann sein Resümee und führt fort: „Doch auch wenn die Versorgungsqualität nicht dem Idealzustand entspricht, müssen Maschinen und Anlagen zuverlässig funktionieren.“ Ein kontinuierliches Energiemonitoring mit Messgeräten bildet die notwendige technische Basis zur Bewertung der Versorgungsqualität. Denn elektrische Energie muss als Rohstoff und Produkt der eigenen Wertschöpfung einer ständigen Qualitätskontrolle unterliegen. cs

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