Energie in rotierenden Massen zu speichern, gehört zu einer der ältesten Formen der Energiespeicherung. Diese Energiespeicher – auch Schwungradspeicher genannt – erhöhen üblicherweise Ihre Drehzahl bei der Aufnahme von Energie und verringern sie bei der Energieabgabe. Das liegt daran, dass Sie herkömmlicherweise aus einem starren Material bestehen und daher ein unveränderliches Massenträgheitsmoment besitzen.
An der Hochschule in Flensburg entwickeln wir nun einen Schwungradspeicher, der über ein veränderliches Massenträgheitsmoment verfügt. Bei einem solchen Schwungrad kann bei der Ein- und Ausspeicherung von Energie die Drehzahl quasi konstant bleiben, während sich das Massenträgheitsmoment verändert. Dies eröffnet spannende Möglichkeiten, um die Netzstabilität zu erhöhen oder kurzfristig Erzeugungsschwankungen auszugleichen – dazu später mehr. Schwungräder mit variablem Massenträgheitsmoment hat es auch in der Vergangenheit schon gegeben, allerdings haben sich diese aufgrund ihrer Komplexität nicht in größerem Maßstab als Energiespeicher durchsetzen können.
Quelle: Eigene Darstellung der Autoren
Schwungräder zeichnen sich generell dadurch aus, dass sie große Energiemengen für kurze Zeiträume – üblicherweise wenige Sekunden oder Minuten – kostengünstig speichern und bereitstellen können. Mit besonders reibungsarmen Lagern und vakuumierten Kammern sind aber auch Speicherperioden von mehreren Stunden möglich. Im Rahmen der vom Bundesbildungsministerium lancierten Initiative „T!Raum – TransferRäume für die Zukunft von Regionen“ entwickeln wir an der Hochschule Flensburg im geförderten Forschungsprojekt „Innovationslabor: Speicher zur Nutzung erneuerbarer Energien im echten Norden“ innovative Lösungen für die Herausforderungen der Energiewende. Unter der Leitung von Clemens Jauch wird ein hydraulischer Schwungradspeicher mit variablem Massenträgheitsmoment – kurz HYDRAD-Speicher – konstruiert. Dieser Speicher kann Energie aufnehmen, ohne seine Rotationsgeschwindigkeit maßgeblich ändern zu müssen, was ihn von herkömmlichen Schwungradspeichern unterscheidet.
Speicherung von Solarstrom
Insbesondere der Stromertrag von Photovoltaik-Anlagen ist sehr volatil und nicht nur saisonalen, sondern auch tageszeitlichen Schwankungen unterworfen, die sich im Minutentakt ändern können. In Bild 2 ist die auf die Erdoberfläche eintreffende Solarstrahlung für den Standort Flensburg über die Dauer eines Jahres minutengenau dargestellt. Um diesen sprunghaften Ertrag an den Strombedarf anzupassen, werden Energiespeicher benötigt. Insbesondere die Speicherung vom Tag bis in die Abendstunden/Nacht ist hier entscheidend, um die Erzeugung an den Verbrauch anzupassen. Bereits 2016 konnte gezeigt werden, dass eine kostengünstige Tag-Nacht-Speicherung mit herkömmlichen Schwungrädern möglich ist und durchaus mit elektrochemischen Batteriespeichern konkurrieren kann.
Aber diese Technologien müssen nicht zwangsläufig konkurrieren, sondern auch eine Ergänzung von Batteriesystemen mit Schwungrädern kommt in der Praxis zur Anwendung. So können hohe Be- und Entladeleistungen begrenzt und damit die Lebensdauer der Batterien erhöht werden. Einen weiteren Anwendungsfall von Schwungradsystemen zur Speicherung von kurzfristigen Solarüberschüssen findet man im Outback von Australien. Schwungradspeichersysteme werden dort genutzt, um in kleinen Inselnetzen den Anteil von Photovoltaik-Strom zu erhöhen, und gleichzeitig ein häufiges Anlaufen von Dieselgeneratoren aufgrund vorbeiziehender Wolken zu vermeiden. So können große Mengen an Diesel eingespart werden. Der tageszeitliche Ausgleich von regenerativen Erzeugungsschwankungen stellt allerdings nur einen Teil der möglichen Einsatzgebiete des HYDRAD-Speichers dar.
Quelle: Eigene Darstellung der Autoren
Der wesentliche Vorteil des HYDRAD-Speichers gegenüber den bislang eingesetzten herkömmlichen Schwungradspeichern ist die konstante Drehzahl. Dadurch werden keine Frequenzumrichter benötigt. Ohne Frequenzumrichter und aufgrund eines vergleichsweise geringen Anlaufdrehmoments kann der HYDRAD-Speicher auch problemlos mit bereits bestehenden rotierenden elektrischen Maschinen (Generatoren/Motoren) gekoppelt werden. Dank dieser direkten Verbindung mit dem Stromnetz kann der HYDRAD-Speicher, neben der Energiespeicherung, weitere wichtige Systemdienstleistungen übernehmen. Beispielsweise trägt so seine rotierende Masse dazu bei, das Stromnetz resilienter gegenüber Laständerungen zu gestalten – Stichwort Momentanreserve –, wodurch die Frequenzhaltung erleichtert wird. Auch ein Betrieb des HYDRAD-Speichers als Phasenschieber, zur Regelung des Phasenwinkels zwischen Strom und Spannung und damit der im Netz vorhandenen Blindleistung, ist denkbar. Ferner könnte der HYDRAD-Speicher Wirkleistung mit dem Netz austauschen, wenn die Frequenz gewisse Grenzen unter- oder überschritten hat. Mit anderen Worten, er könnte Primärregelleistung bereitstellen. Weiterhin könnte der HYDRAD-Speicher in einem PV-Inselnetz bei einem kurzfristigen Ausfall des Photovoltaik-Wechselrichters dafür sorgen, dass Spannung und Frequenz aufrechterhalten und die Verbraucher versorgt werden, was dem Wechselrichter Zeit verschafft, sich wieder auf die Netzspannung zu synchronisieren.
Funktionsweise
Der HYDRAD-Speicher besteht aus zwei ineinander gesteckten Zylindern, welche gemeinsam einen Hohl- und einen Zentralzylinder bilden. Der Hohl- und der Zentralzylinder sind im unteren Bereich durch einen doppelten Boden offen miteinander verbunden und zu Teilen mit einem Fluid gefüllt. Wird der HYDRAD-Speicher nun durch ein äußeres Drehmoment angetrieben, wird dessen Drehzahl erhöht, wodurch das Fluid durch einen steigenden Zentrifugaldruck weiter in den Hohlzylinder, nach außen – hin zu größeren Radien – gedrückt wird. Das Rotationsträgheitsmoment des Speichers wird erhöht. So wird Energie nicht nur in der Drehzahlerhöhung, sondern primär in der Erhöhung des Trägheitsmoments gespeichert. Die Drehzahl bleibt dabei quasi konstant. Wird die Drehzahl des HYDRAD-Speichers nun leicht reduziert, verringert sich auch die Zentrifugalbeschleunigung, und das Fluid fließt zurück in den Zentralzylinder. Wo zuvor ein Drehmoment notwendig war, um das Trägheitsmoment zu erhöhen, entsteht nun durch die Verringerung des Trägheitsmoments ein antreibendes Drehmoment. Durch dieses zugrundeliegende physikalische Funktionsprinzip kann Rotationsenergie in den HYDRAD-Speicher ein- und ausgespeichert werden, indem durch die Fluidverschiebung die Trägheit des Schwungrads variiert wird, aber die Drehzahl nahezu konstant bleibt. Dieses Prinzip kann auch mit einer Eiskunstläuferin veranschaulicht werden, die während einer Pirouette Ihre Arme ausbreitet, nur dass die Eiskunstläuferin ein geschlossenes System darstellt, wohingegen beim HYDRAD-Speicher Energie in Form von Drehmoment mit anderen Maschinen ausgetauscht wird.
Weitere Anwendungsbereiche
In Stromnetzen schwankt die Netzfrequenz, wenn ein Ungleichgewicht zwischen Erzeugung und Verbrauch vorliegt. Es wird nur eine geringe Abweichung toleriert, um die Netzstabilität zu gewährleisten und am Netz angeschlossene Geräte zu schützen. Die rotierenden Massen von konventionellen Turbinen dämpfen schnelle Frequenzschwankungen, da sie aufgrund ihrer Trägheit der Netzfrequenz nur verzögert folgen können. Diese Fähigkeit, durch den Austausch von kinetischer Energie auf Frequenzänderungen zu reagieren, nennt man Momentanreserve. Da im Zuge der Energiewende die konventionellen Kraftwerke durch regenerative Erzeuger wie Photovoltaik (PV)- und Windparks ersetzt werden, die über Wechselrichter an das Stromnetz angeschlossen sind, verliert das Netz an Stabilität. So hat die Momentanreserve des europäischen Verbundnetzes von 1996 bis 2016 bereits um etwa 20 Prozent abgenommen.
Eine Möglichkeit die abhanden gekommene Momentanreserve zu kompensieren, stellt der HYDRAD-Speicher dar. Wird das Schwungrad mechanisch mit einer rotierenden elektrischen Maschine gekoppelt, die ihrerseits ohne Frequenzumrichter mit dem Netz verbunden ist, können damit die Abweichungen der Netzfrequenz vom Sollwert ausgeglichen werden. Da der HYDRAD-Speicher intrinsisch versucht, seine Drehzahl konstant zu halten, indem er sein Trägheitsmoment variiert, liefert er dem Netz bei Unterfrequenz zusätzliche Energie oder nimmt diese bei Überfrequenz auf. Konventionelle Schwungräder werden bereits heute dazu eingesetzt, um zusätzliche Trägheit in Netzen mit einem hohen Anteil an regenerativen Energien bereitzustellen. Der Vorteil des HYDRAD-Speichers liegt darin, dass er dem Stromnetz bereits bei kleinen Frequenzabweichungen deutlich größere Energiemengen (Trägheit) bereitstellen kann, weil die Drehzahl, bei welcher der HYDRAD-Speicher entladen wird, frei und unabhängig von der Netzfrequenz gewählt werden kann.
Um den störungsfreien Betrieb von kritischer Infrastruktur wie Krankenhäusern, Rechenzentren oder Leitstellen zu garantieren, ist eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) notwendig. Diese garantiert eine normale Weiterversorgung der kritischen Last bei Stromausfällen, aber auch bei starken Frequenz- oder Spannungssprüngen oder verschafft Zeit, um Maschinen und Server ordnungsgemäß herunterzufahren. Insbesondere kommen bei Lasten, für die Notstromversorgung über mehrere Stunden oder Tage garantiert werden muss, Dieselgeneratoren zum Einsatz. Um die Zeit zu überbrücken, bis die Dieselgeneratoren vollständig einsatzbereit sind, könnte die Versorgung übergangsweise durch den HYDRAD-Speicher sichergestellt werden. Der Vorteil vom HYDRAD-Speicher besteht auch in diesem Anwendungsfall darin, dass weder ein Frequenzumrichter noch eine besondere Regelung nötig sind. Der HYDRAD-Speicher muss zu diesem Zweck nur über eine rotierende elektrische Maschine synchron mit dem Netz verbunden sein. Darüber hinaus sind viele weitere Anwendungsgebiete, etwa im Verkehrssektor, vorhanden.
Arne Rettig ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Wind Energy Technology Institute im Fachbereich Energy and Life Science der Hochschule Flensburg
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zum einen wird erklärt das die Flüssigkeit durch eine Drehzahlerhöhung nach außen gedrückt wird, eine Zeile darunter wird geschrieben das die Drehzahl nahezu konstant bleibt? Gibt es Informationen zum Verhältnis Drehzahl zu Drehmoment? Wie groß ist die Drehzahldifferenz zwischen Aufladen und Entladen?
Ein sehr spannendes Projekt!
Hallo Herr Hofer,
vielen Dank für Ihren spannenden Kommentar!
Das durch das HYDRAD erzeugte Drehmoment ist stark von der Geschwindigkeit (dem Gradienten) des Frequenzabfalls und der jeweiligen Anwendung und der Größe des Schwungrades abhängig. Ein erster Entwurf legt nahe, dass bei einer kontinuierlichen Entladung über eine Periode von 5min ein Drehmoment von ~850 Nm erzeugt wird, welches dem Frequenzabfall entgegenwirkt. Die Drehzahldifferenz zwischen Aufladen und Entladen wird im geringen einstelligen Herz-Bereich liegen. Eine präzisere Erhebungen des bevorzugten Betriebsverhaltens und die damit einhergehende Konditionierungen des HYDRADs in Abstimmung auf die jeweiligen Anwendungsbereiche ist Gegenstand aktueller Forschung.
Weiterführende Erläuterungen des physikalischen Funktionsprinzips, sowie die Ableitung von realistischen Leistungsklassen, können Sie dem folgenden Paper entnehmen:
https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.122830
Welche Kosten pro kWh bzw kW sind bei diesem Speicher zu erwarten?
Hallo,
die Kosten je kWh bzw. kW können zum aktuellen Zeitpunkt noch nicht beziffert werden, sind aber Gegenstand aktueller Forschung.
Moment, Moment. Es sind ja genau die direktgekoppelten Generatoren, welche die Frequenzfluktuation verursachen. Grid-following Inverter machen diesen Unfug nur mit.
Hier wird nicht an einer Lösung des Problems gearbeitet, sondern am verursachenden Problem. Ein mehr als fragwürdiger Ansatz.
Irgendwer hat einmal das Equivalent des viereckigen Rades erfunden (direktgekoppelte Generatoren). Um nun das Hoppeln zu reduzieren, werden derzeit viele viereckige Räder miteinander kombiniert. Das ändert aber nichts daran, dass das Konzept von vornherein problematisch und ineffizient ist. Hier soll nun ein richtig modernes viereckiges Rad hinzugefügt werden. Die Sinnfrage beantwortet sich mir nicht.
Guten Tag Herr Schiller
Ich empfehle Ihnen mit Ihrer mangelnden Fachkompetenz keine Kommentare zu diesem Thema zu machen. Sie machen sich höchstens lächerlich.
Was meinen Sie eigentlich mit „direktgekoppelten“ Generator? Ein Asynchron-oder Synchrongenerator?
Der Beitrag ist super geschrieben. Es wird jedoch einiges an elektrotechnischen Fachwissen benötigt um ihn zu Verstehen.
Jörg Eberl fragte:
„Was meinen Sie eigentlich mit „direktgekoppelten“ Generator? Ein Asynchron-oder Synchrongenerator?“
Ja.
@ Dirk Schiller
Ich meinte mit super geschrieben eigentlich den Artikel und nicht ihren Kommentar.
Sie kennen hoffentlich die Unterschiede zwischen einem Synchron und Asynchron Generator? Ich glaube eher nicht, sonst hätten keine solche Antwort abgegeben.
Das HVDC wird für weite Strecken eingesetzt, weil der Leitungsverlust geringer ist als bei einer AC-Übertrag. Dies Aufgrund des Blindwiderstands X, der bei DC nicht vorhanden ist, im Gegensatz zu AC. HVDC wird für kurze Strecken nicht eingesetzt, weil die Umwandlungsverluste von AC zu DC und zurück grösser sind als der Leitungsverlust bei AC.
Ich dachte bei ihrer mangelnden Fachkenntnis eigentlich an die Grundlagen der AC-Netztechnik. Da aus Ihrem ersten Kommentar klar wird, dass sie nicht verstehen wie Frequenz Schwankungen zustande kommen.
PS: Ich brauchte auch 3Jahre Elektrotechnik Studium um mehr von der Materie zu verstehen. Eine gute Zeit wünsch ich Ihnen und hätte eine Bitte für die Zukunft. Kopf einschalten bevor Sie so einen Unsinn schreiben.
Jörg Eberl schrieb:
„Das HVDC wird für weite Strecken eingesetzt, weil der Leitungsverlust geringer ist als bei einer AC-Übertrag. Dies Aufgrund des Blindwiderstands X, der bei DC nicht vorhanden ist, im Gegensatz zu AC.“
Du bist da auf dem richtigen Pfad. Allerdings scheint mir dein Verständnis doch sehr lückenhaft.
Also schau mal genauer hin. Das ohmsche Gesetz sollte dir ja hoffentlich genauso ein Begriff sein wie die elektrische Leistung.
Simplifizieren wir einmal etwas:
DC: P=UI, ich muss genug P_primär einspeisen, um die Leitungsverluste und Umwandlungsverluste auszugleichen.
AC: P=UI, aber das ist nur die Scheinleistung, das was ich herausbekomme ist aber nur die Wirkleistung. Ich setze voraus, dass du das Leistungsdreieck kennst. Hier muss ich genug P_primär einspeisen, um die Leitungsverluste und Umwandlungsverluste auszugleichen und bekomme doch nur einen Bruchteil heraus, weil die Wirkleistung verloren geht.
Hast du dich noch nie gefragt, wie das mit dem Energieerhaltungssatz auf eine Reihe zu bekommen ist, dass ich den zusätzlichen Betrag an Energie einspeisen muss, den ich via nie herausbekomme? Grundsätzlich wird diese ja erst einmal gespeichert und ist bei Bedarf als Blindleistung abrufbar. Aber man muss ja ständig mehr Energie einspeisen, dies passiert ja nicht nur beim Start. Also müssen wir wohl davon ausgehen, dass diese Blindleistung irgendwo als Energie freigesetzt wird.
Wo genau? Hier müssen wir einmal die heißgeliebten Wechselstromformeln vergessen und die Grundlagen des elektrischen Stroms erinnern, da wir in Teilbereiche der Welle schauen.
Was passiert denn die ganze Zeit bei synchronisierten Maschinen?
Ahh, die synchronisieren sich. Da du angibst, „3Jahre Elektrotechnik“-Studium hinter dir zu haben, hoffe ich, dass du da nicht nur anwesend warst und das auch verstanden hast. Ich hatte schon erwähnt, dass da keine Magie im Spiel ist, sondern ordinäre Stromflüsse durch ordinäre Kabel mit überwiegend ohmschem Widerstand, aufgrund des Phasenversatzes. (Da wir hier von v=ui sprechen, ist I und L irrelevant, schon weil es keine Frequenz gibt.) Was passiert, wenn ich Strom durch einen ohmschen Widerstand fließen lasse? Er wird zu Wärme.
Jörg Eberl moserte:
„Da aus Ihrem ersten Kommentar klar wird, dass sie nicht verstehen wie Frequenz Schwankungen zustande kommen.“
Da aus diesen Worten ersichtlich wird, dass Jörg Eberl nach den 3 Jahren Studium mit der Materie immer noch massiv hadert, werde ich auch diesen Teil (noch mal?) erklären.
Schauen wir einmal auf die elektrische Leistung: P=UI. Oha, Hier ist ja gar keine Zeit enthalten? Das heißt, es gibt gar keine physikalische Beziehung zwischen Leistung und Frequenz? Richtig, nicht in der Elektrik.
Aber in der Mechanik, Generatoren sind rotierende Maschinen. Was bei einer Rotation für uns hier wichtig ist, ist die Winkelgeschwindigkeit, denn diese enthält (v=lt^-1) t, die Zeit. Wenn sich der Generator einmal gedreht hat, wurde eine ganzzahlige Anzahl an Wellen generiert. Diese Welle hat eine Frequenz, (t^-1) welche ebenfalls t enthält. Die Frequenz ist also direkt abhängig von der Winkelgeschwindigkeit. Vielleicht fällt ja bei Jörg Eberl jetzt endlich der Groschen, warum meine Antwort, auf die Frage ob Synchron- oder Asynchrongeneratoren gemeint sind, „ja“ war.
Kinetische Energie ist bei einem Generator 1/2*Iω^2, wobei ω die Winkelgeschwindigkeit und die einzige Variable ist. Ändere ich das Verhältnis aus zugeführter Primärenergie und abgeführter elektrischer Energie, dann ändert sich weder die Masse noch die Geometrie des Generators sondern die Winkelgeschwindigkeit und damit die Frequenz.
Die Ursache für die Frequenzänderung liegt also ganz alleine in der Mechanik der Generatoren verborgen.
Sind wir also verdammt, dass wir für immer dieses Problem mit uns herumschleppen müssen?
Nein, natürlich nicht, weder grid-following noch grid-forming Inverter (Wechselrichter) haben ein solches Problem (siehe P=UI). Die meisten Generatoren sind heutzutage bereits hinter Invertern. Aber eben leider nicht die alten Fossilbrennstoffgeneratoren. Diese sind immer noch direkt gekoppelt und daher wirkt deren Drehzahlabhängigkeit noch immer auf das Netz und zieht dessen Frequenz hoch oder runter. Das muss nicht so sein, aber ist eben billiger als das Problem zu beheben und die Investoren bekommen höhere Rendite.
Aber da war doch noch was mit der gespeicherten Blindleistung? Ja, diese ist für einen kurzen Moment abrufbar, zu mindestens der Teil, der noch nicht in den Übertragungsleitungen zu Wärme umgewandelt wurde. Das ist der Teil, den Jörg Eberl möglicherweise zum Teil verstanden hat. Wenn ich jetzt eine schnelle Winkelgeschwindigkeitsdifferenz habe, dann fließen massive Ströme bei synchronisierten Maschinen, bei größeren Versätzen genug um Elektrik und Mechanik zu zerstören, kurz, es sind hohe Energiedichten kurzzeitig verfügbar.
Aber was Jörg Eberl offensichtlich nicht verstanden hat, ist, dass dies nicht der Fall ist, wenn Lieselotte Huber ihren Staubsauger anschließt (das wird heutzutage von der Solaranlage von Lieselotte Huber’s Nachbarn korrigiert), sondern wenn eine große Turbine in das Netz (direkt) eingekoppelt wird, da deren Drehzahl eben noch nicht perfekt synchronisiert ist. Oder aber, wenn ein solcher Generator aus dem Netz genommen wird, da plötzlich mehr Leistung von den anderen drehenden Generatoren abgerufen wird, da die Primärenergiezufuhr nicht schnell genug angepasst werden kann. Ergo Blindleistung wird von den Blindleistungsbereitstellern benötigt.
Oder noch genauer, die Blindleistung, welche von (riesigen) Fossilbrennstoffgeneratoren bereitgestellt wird, wird auch genau von diesen (riesigen) Fossilbrennstoffgeneratoren benötigt. Bestrebungen, diesen Zustand aufrecht zu erhalten, sind eben auch Bestrebungen, diese Fossilbrennstoffgeneratoren weiterhin ungeregelt im Netz zu lassen.
Immerhin halte ich Jörg Eberl zugute, dass er sich mit dem Thema beschäftigt und wünsche ihm viel Erfolg. Im Übrigen sind diese Prinzipien bei uns Bestandteil der ersten zwei Semester. Wenn Jörg Eberl dazu wirklich 3 Jahre brauchte, dann hätte er wohl keinen Abschluss erhalten können, da er dann noch immer 4-6 Semester vor sich hätte. 3 Jahre nur Grundlagen klingt doch etwas merkwürdig.
Korrektur, sollte heißen:
Hier muss ich genug P_primär einspeisen, um die Leitungsverluste und Umwandlungsverluste auszugleichen und bekomme doch nur einen Bruchteil heraus, weil die Differenz zwischen Schein- und Wirkleistung verloren geht.
Korrektur2, oops, muss heissen:
(Da wir hier von u=ir sprechen, ist C und L irrelevant, schon weil es keine Frequenz gibt.)
Jörg Eberl moserte:
„Ich empfehle Ihnen mit Ihrer mangelnden Fachkompetenz keine Kommentare zu diesem Thema zu machen. Sie machen sich höchstens lächerlich.“
Leider lässt sich aus dem Ad-hominem nicht erkennen, womit du Verständnisschwierigkeiten hast und ich kann dir dadurch die betreffende Materie nicht erläutern.
Jörg Eberl, ich denke, es wäre überaus hilfreich für dein Grundverständnis, wenn du dich mal selbstständig einarbeitest in die Frage, warum HVDC effizienter ist, obwohl auch da typischerweise AC-Generatoren genutzt werden und meist noch eine mehrfache Umwandlung stattfindet.
Hallo Arne Rettig, nett, jemanden aus dem Team zu lesen.
Die Leistung, eine solche rotierende Hydraulik zu entwickeln, ist schon beachtlich.
Allerdings haben wir hier die Problematik, dass Last (oder besser die Imbalance von Primärenergiezufuhr und Energieabnahme) unvermeidlich zu einer Winkelgeschwindigkeitsänderung -> Drehzahländerung führt und damit die Frequenzänderung erst verursacht.
Grundsätzlich ist festzuhalten, dass der Energieerhaltungssatz gilt, nebst dem ohmschen Gesetz. Wenn ich zwei oder mehr Maschinen elektrisch synchronisiere, dann wird die Drehzahländerung auf alle synchronisierten Maschinen verteilt. Dies kann natürlich nicht durch Magie erfolgen, sondern logischerweise durch entsprechende Stromflüsse in einem Teilbereich der Halbwelle. Ergo werden erhebliche Anteile des Übertragungsnetzes für solche Korrekturströme [z.B. siehe Wikipedia Blindstrom] verschwendet. Da die Übertragungsnetze überwiegend ohmsche Eigenschaften haben, werden diese (oszillierenden) Blindströme in den Leitungen in Wärme umgewandelt und reduzieren die mögliche Übertragungskapazität.
Kurz, der Anteil an Blindleistung benötigt die entsprechende Menge an Primärenergie, aber diese wird lediglich zur Erwärmung der Übertragungsleitungen aufgewendet.
Sollten wir nicht viel besser den Anteil an netzsynchronen Maschinen mit ihrem grottigen Wirkungsgrad reduzieren und damit das Problem korrigieren, statt künstliche Ineffizienz hinzuzufügen?
Gerade auch im beschriebenen Fall der Dieselgeneratoren scheint eine Inverterkopplung (->Frequenzumrichter) erheblich sinnvoller, da diese durch die AC-DC-AC-Kopplung erheblich mehr Energie speichern kann, durch die Nutzbarmachung von Drehzahländerung und als grid-forming bereitstehen kann, bevor der Dieselgenerator bereitsteht. So könnten kurze Störungen auch ohne Dieselgenerator abgefangen werden.
Wohingegen die Direktkopplung zwangsweise bei Netzausfall ohnehin aufgehoben werden muss (Netztrennung/Islanding) und der Diesel erst synchronisiert werden muss, ansonsten haben wir einen hässlichen Phasenversatz samt explosiver Zerlegung der Mechanik und Elektrik.
Ich kann diverse Einsatzzwecke sehen, aber Synchronmaschinen gehören nun wirklich zum alten Eisen. Hier braucht man nur mal einen 3-Phasen-Motor direkt an das Netz zu hängen (und mal auf die gemessenen Ströme schauen) und dann denselben Motor mit einem vernünftigen Inverter zu betreiben. Besonders bei niedrigen Lasten ist der Unterschied riesig. Da gerade im kommerziellen Bereich eben die Scheinleistung und nicht nur die Wirkleistung bezahlt werden muss, sterben direkt gekoppelte Maschinen in allen Leistungsklassen ohnehin aus, völlig egal, ob nun der Inverter wegen des Sanftanlaufes, der Kontrolle, der möglichen Drehzahländerung oder nur aus Kostengründen hinter einen Inverter gehängt wird.
Das Gleiche sehen wir auch bei Generatoren, dank rapider Entwicklung im Halbleitersektor. Oder Seekabeln, ob nun zur Anbindung an andere Netze (z.B. UK) oder von großen Windfarmen.
Inverter haben viele Nachteile gar nicht, unter anderem auch nicht die Abhängigkeit der Drehzahl und damit auch keinen lastabhängigen Frequenzdrift.
Lesenswert:
„Replacing conventional generators with inverter-based resources, including wind, solar, and certain types of energy storage, has two counterbalancing effects. First, these resources decrease the amount of inertia available. But second, these resources can reduce the amount of inertia actually needed—and thus address the first effect. In combination, this represents a paradigm shift in how we think about providing frequency response.
[Inertia and the Power Grid: A Guide Without the Spin
Paul Denholm, Trieu Mai, Rick Wallace Kenyon, Ben Kroposki, Mark O’Malley]
Guten Herr Schiller
Schön haben Sie sich ein wenig eingelesen in die Materie.
Aber folgender Satz stimmt nicht.
„Synchronmaschinen gehören nun wirklich zum alten Eisen“
Synchronmaschinen werden zum Beispiel als Phasenschieber eingesetzt. Oder Sie können als Generator unter-oder übereregt betrieben werden und somit kapazitive oder induktive Blindleistung zu Verfügung stellen. Dies ist in einem AC-Netz sehr wichtig und um die Blindleistung die z.B im Netz oder bei Verbrauchern anfällt zu kompensieren. Ein erdverlegtes Kabel wirkt kapazitiv ein Freileitung induktiv.
Früher wurde die Energie vorallem von grossen Kraftwerken zu kleinen Verbrauchern geliefert. Häufig wurde mit grossen Turbogeneratoren (Synchronmaschinen) die notwendige Blindenergie ebenfalls geliefert.
Durch die Veränderung der Produktion in immer mehr dezentrale Erzeugung muss sich auch die Lieferung der Blindenergie ändern.
Ein PV-Wechselrichter kann ebenfalls Blindenergie liefern. Dies je nach Einstellung des cos phi. Oder mit der sogenannten Q/U-Regelung
Als Grosskunde (Privatkunde bezahlt nur Wirkenergie), der Blindenergie auch bezahlen muss galt früher:
Kapazitive Blindenergie als konform. Musste also nicht bezahlt werden.
Heute gilt induktive Blindenergie als konform.
Das Verteilnetz (Kabel) wirkt kapazitv. Dadurch wirkt die induktive Einspeisung spannungssenkend am Einspeisepunkt. Dies kann gerade bei einem Kunde mit langer Anschlussleitung entscheidend sein.
Jörg Eberl schrieb:
„Aber folgender Satz stimmt nicht.
„Synchronmaschinen gehören nun wirklich zum alten Eisen“
Synchronmaschinen werden zum Beispiel als Phasenschieber eingesetzt. Oder Sie können als Generator unter-oder übereregt betrieben werden und somit kapazitive oder induktive Blindleistung zu Verfügung stellen.“
Damit hast du mich nun aber nicht gerade widerlegt, sondern bestätigt.
Aber Dankeschön.
Wenn Du jetzt noch recherchierst, wofür Blindleistung gebraucht wird, steht einem „Aha!“-Moment kaum noch etwas im Weg. Alternativ habe ich das auch schon erklärt und ebenfalls Artikel zum Thema zitiert.
Korrektur, sollte heißen:
„völlig egal, ob nun der Motor wegen des Sanftanlaufes, der Kontrolle, der möglichen Drehzahländerung oder nur aus Kostengründen hinter einen Inverter gehängt wird“
Ad hominem“ ist lateinisch und bedeutet „auf den Menschen gerichtet“. Es bezeichnet einen rhetorischen Fehlschluss, bei dem man die Person angreift, anstatt ihre Argumente.
Wie funktioniert ein Ad-hominem-Argument?
Anstatt sich mit dem Inhalt eines Arguments auseinanderzusetzen, greift man die Person an, die das Argument vorbringt. Man versucht, die Person zu diskreditieren, um ihre Argumente ungültig erscheinen zu lassen.
Beispiele für Ad-hominem-Argumente:
„Du kannst mir nichts über gesunde Ernährung erzählen, du bist ja selbst übergewichtig!“
„Die Meinung dieses Politikers ist irrelevant, er wurde doch wegen Steuerhinterziehung verurteilt.“
„Was weiß schon ein Student über die Herausforderungen der Arbeitswelt?“
Warum sind Ad-hominem-Argumente falsch?
Irrelevant: Die persönlichen Eigenschaften einer Person haben in der Regel keinen Einfluss auf die Gültigkeit ihrer Argumente.
Ablenkung: Ad-hominem-Angriffe lenken von der eigentlichen Sachdiskussion ab.
** unfair:** Sie können den Ruf einer Person schädigen, ohne dass dies durch die Argumente gerechtfertigt ist.
Formen von Ad-hominem-Argumenten:
Direkter Angriff: Die Person wird direkt beleidigt oder diffamiert.
Umstände: Man weist auf die Umstände der Person hin, um ihre Argumente zu entkräften (z. B. Herkunft, Beruf, politische Zugehörigkeit).
Befangenheit: Man unterstellt der Person eine Voreingenommenheit, die ihre Argumente ungültig macht.
„Tu quoque“ (Du auch!): Man wirft der Person Heuchelei vor, weil sie sich nicht an ihre eigenen Prinzipien hält.
Wie kann man auf Ad-hominem-Argumente reagieren?
Ruhig bleiben: Nicht auf die Provokation eingehen.
Auf den Fehlschluss hinweisen: Erklären, warum das Argument ein Ad-hominem ist und warum es irrelevant für die Diskussion ist.
Zur Sachdiskussion zurückkehren: Den Fokus wieder auf die Argumente lenken.
Ad-hominem-Argumente sind ein häufiges Mittel in Diskussionen und Debatten. Es ist wichtig, sie zu erkennen und ihnen entgegenzuwirken, um eine faire und sachliche Auseinandersetzung zu ermöglichen.