319

19 Stromversorgungen

19.1 Unterbrechungsfreie StromversorgungenEine Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) ist ein Stromversorgungssystem mit einemEnergiespeicher, der bei Störungen der Versorgungsspannung wie z. B.:

NetzausfallÜber- oder UnterspannungSpannungseinbrüche, SpannungsspitzenStörspannungenFrequenzänderungen und harmonische Oberschwingungen

eine beständige Versorgung der Last sicherstellt. Eine detaillierte Klassifizierung erfolgt nachIEC 62040-3. Hinsichtlich der Arbeitsweise unterscheiden wir zwischen einer Online- undeiner Offline-USV. Bei der Offline-USV muss bei Ausfall der Versorgung die Stromversor-gung zunächst umgeschaltet werden, so dass eine kurze „Schaltpause“ auftreten kann. Beieiner Online-USV werden die Verbraucher ständig über die USV versorgt, so dass bei einerVersorgungsstörung keine Beeinträchtigung der Verbraucher auftreten kann. Eine USV kanneinphasig (bis ca. 10 kVA) oder 3-phasig ausgeführt werden. Welche Art USV einzusetzen ist,hängt von der Art der Verbraucher ab und dem Schaden, der bei einer Versorgungsstörungauftreten kann.

Die Kapazität des Energiespeichers (im Allgemeinen ein Bleiakkumulator, siehe auchKap. 19.4) muss den Anforderungen der Verbraucher angepasst sein. Hier genügen u. U.kleine Kapazitäten, um beim Ausfall der Energieversorgung z. B. ein Rechnersystem nacherfolgreicher Datensicherung innerhalb 5 bis 10 Minuten sicher herunterzufahren, oder esmuss die Zeit bis zum sicheren Betrieb einer Notstromversorgung (Dieselgenerator bzw.Brennstoffzelle) überbrückt werden können (Autonomiezeit).Die Leistungsbemessung der Stromversorgung richtet sich neben der Nennleistung derangeschlossenen Verbraucher und deren Einschaltstrom (bei einem Motor beträgt der Ein-schaltstrom bis zum 6fachen Nennstrom) auch nach der Stromkurvenform. Die Strom-kurvenform wird durch den crest factor c, der bei einem PC-Netzteil bis zu c = 3 betragenkann, berücksichtigt. Ferner können Leistungspendelungen zu Spannungsschwankungenführen, die sich bei Beleuchtungsanlagen als Flicker störend bemerkbar machen.

Abbildung 19-1 Typische Ausführung einer batteriegestützten Online-Stromversorgung

NSNP

uP uS=

3~

UWR Dy-TransformatorSinusfilter

LFCF

3~

BLG

SL1

L2

L3

L1´

L2´

L3´

N´

ESR

320 19 Stromversorgungen

Den Aufbau einer USV für Drehstromanwendungen zeigt Abb. 19-1. Für die Bereitstellungsinusförmiger Spannungen ist ein Sinusfilter vorgesehen. Der Transformator stellt diePotenzialfreiheit sicher, erzeugt den Mittelpunktleiter (N´) und passt die Höhe der Ausgangs-spannung an. Der UWR kann als Pulswechselrichter betrieben werden, um Toleranzen derNetz- oder Batteriespannung auszugleichen. Im Normalfall speist der EingangsstromrichterESR die Energie in den Zwischenkreis ein. Das Batterieladegerät sorgt gleichzeitig für eineausreichende Batterieladung. Im Störungsfall wird in Abb. 19-1 der Schalter S automatischgeschlossen und die Batterie stützt die Eingangsspannung des Wechselrichters.

19.1.1 Online-SystemeIm Normalfall erfolgt die Versorgung des Zwischenkreises über den Eingangsstromrichter. BeiAusfall der Energieversorgung wird der Zwischenkreis automatisch über die Batterie gestützt.Die Spannungsdifferenz durch die geringere Batteriespannung wird über die Aussteuerung desPulswechselrichters korrigiert. Die Online-USV ist ständig in Betrieb, so dass zur Verlust-begrenzung die USV über einen hohen Wirkungsgrad verfügen muss. Eine Online-USV istimmer dann sinnvoll, wenn hohe Anforderungen an die Qualität der Versorgungsspannunggestellt werden und keine Umschaltzeiten auftreten dürfen.

19.1.2 Offline-SystemeDurch Wegfall des Netzstromrichters ESR in Abb. 19-2 erhält man eine Offline-USV nachAbb. 19-3. Im Normalbetrieb wird nur der Akkumulator über das Batterieladegerät BLGgeladen. Im Störungsfall schaltet sich die USV ein und stellt die Energieversorgung sicher. Diemögliche Dauer der Versorgung hängt wie bei der Online-USV von der Kapazität desEnergiespeichers ab.

Abbildung 19-2

Aufbau einer Online-USV

ESR : EinspeisestromrichterBLG : BatterieladegerätWR : Wechselrichter

BLG

WRESR

Online-USV

Versorgungs-netz

Abbildung 19-3

Aufbau einer Offline-USV

WR: WechselrichterBLG: Batterieladegerät

BLG WR

Netzbetrieb

Versorgungs-netz

Batteriebetrieb

Offline-USV

19.3 Brennstoffzellen-Stromversorgungen 321

19.2 Photovoltaische Stromversorgungen

Die Höhe der Eingangsspannung uP ist abhängig von der Anzahl in Reihe geschalteter Solar-zellen und schwankt mit der Strahlungsintensität, der Temperatur und dem entnommenenStrom. Die Gleichspannung uP wird deshalb über einen Hochsetzsteller zunächst in einekonstant hohe Gleichspannung ud umgeformt. Die Höhe der Gleichspannung ud muss für dieFunktion des Pulswechselrichters oberhalb des Scheitelwertes der maximal möglichenNetzspannung uN gewählt werden. Anschließend formt der Pulswechselrichter dieseGleichspannung mit einer Schaltfrequenz von z. B. 20 kHz in eine einphasige Wechsel-spannung uSt um. Dabei wird der PWR so gesteuert, dass der Netzstrom iN einensinusförmigen Verlauf zeigt und unmittelbar in Phase mit der Netzspannung uN liegt, so dassdie Energie mit einem Leistungsfaktor von 1 in das Netz eingespeist wird. Über den Effektiv-wert des Netzstromes wird die Leistung so eingestellt, dass die Solarzelle möglichst im Punktmaximaler Leistung betrieben wird (MPP).

19.3 Brennstoffzellen-StromversorgungenUm die chemisch gebundene Energie eines Brennstoffes in elektrische Energie umzuwandeln,gibt es nach Abb. 19-5 zwei Verfahren.

Bei der thermischen Verbrennung wird die Brennstoffenergie zunächst in thermische Energie(Wärme) umgewandelt und auf ein Arbeitsmedium übertragen. Eine Wärmekraftmaschinewandelt die thermische Energie in mechanische Energie um. Ein elektromechanischerEnergiewandler (Generator) wandelt schließlich die mechanische Energie in elektrischeEnergie um. Nach diesem Prinzip funktionieren z. B. fossil befeuerte Kraftwerke. Jedeeinzelne Umwandlung erfolgt mit Energieverlusten, wodurch dieses Verfahren einenungünstigen Wirkungsgrad hat. Im Gegensatz zur thermischen Verbrennung findet in der

Abbildung 19-4 Prinzipschaltbild einer transformatorlosen Photovoltaik-Wechselrichteranlage

Abbildung 19-5 Verbrennungsarten

Brennstoff-energie Wärme mechanische

Energieelektrische Energie

Brennstoff-energie

elektrische Energie

Thermische Verbrennung

Kalte Verbrennung

Wärme

Solar-Panel

Hochsetzsteller Pulswechselrichter

L1

N

LS D

uP ud uN

LN

LNCE Cd CN

T

iNiP

uSt

322 19 Stromversorgungen

Brennstoffzelle eine direkte, elektrochemische Umwandlung statt. Weil das Reaktionsproduktdas gleiche ist wie bei einer thermischen Verbrennung und der Vorgang bei niedrigerTemperatur stattfindet, spricht man von einer „kalten Verbrennung“ (Abb. 19-5). Dabei ist derWirkungsgrad wegen der einmaligen Energiewandlung in elektrische Energie wesentlichhöher als bei der thermischen Verbrennung und erreicht bis zu 60 % und mehr. Die anfallendeWärmeenergie tritt parallel zur elektrischen Energie auf und kann z. B. in einemBlockheizkraftwerk ebenfalls genutzt werden.Als Brennstoff kommt Wasserstoffgas (H2) zum Einsatz. Dieser verbrennt mit (Luft-)Sauer-stoff (O) und liefert thermische und elektrische Energie mit dem Abfallprodukt Wasser. Derelektrische Minuspol (Elektronenüberschuss) befindet sich an der Wasserstoffseite. DurchUmkehr der Stromrichtung kann die Brennstoffzelle elektrische Energie durch Aufspaltungvon Wasser in Wasserstoffgas und Sauerstoff in chemischer Form speichern.Die Belastungskennlinie einer Brennstoffzelle zeigt Abb. 19-6. Die Kennlinie zeichnet sichdurch drei typische Bereiche aus:1. Leerlauf, die chemische Reaktion wird durch hohe Ladungsträgerdichten behindert. Im

Bereich kleiner Ströme nimmt die Spannung daher stark nichtlinear ab. Die Leerlauf-spannung einer Zelle beträgt ca. 1,3 V. Durch Reihenschaltung mehrerer Brennstoffzellenzu einem Stack kann die gewünschte Gleichspannung eingestellt werden.

2. Bei höheren Strömen geht die Kennlinie in eine Gerade über. Die Zelle zeigt ein ohmschesVerhalten (Verlustleistung thermische Energie).

3. Bei hohen Strömen führen Oberflächeneffekte zu einer verminderten Gaszufuhr und zueiner reduzierten Verbrennung, wodurch die Zellenspannung schnell zusammenbricht.

Interessant für die Anwendung der Brennstoffzelle als Stromquelle ist die maximal erreichbareLeistung. Der Bereich maximaler Leistung liegt ungefähr bei halber Leerlaufspannung. DieBrennstoffzelle sollte daher in diesem Spannungsbereich betrieben werden. Die Umwandlungder Gleichstromenergie in Wechselstromenergie erfolgt z. B. mit einem Wechselrichtersystem,wie es bei der photovoltaischen Stromversorgung in Abb. 19-4 vorgestellt wurde. Für dieAnwendung der Brennstoffzelle als Energiequelle insbesondere auf Fahrzeugen mit Elektro-antrieb ist die ausreichende Speicherung von Wasserstoffgas entscheidend.

Abbildung 19-6 Typische Strom-Spannungs- und Leistungskennlinie einer Brennstoffzelle

4030201000

1,0

I / A

ohmscher Bereich

1

3

pp

uu00,8

0,6

0,4

0,2

2

uu0

pp

19.4 Energiespeicher 323

19.4 EnergiespeicherEnergiespeicher werden zu Zeiten geringen Energiebedarfs mit Energie geladen und beihohem Energiebedarf entladen. Durch die Speicherung kann zum einen eineVergleichmäßigung der Energieaufnahme erreicht werden, zum anderen kann auftretendeBremsenergie z. B. bei Fahrzeugen zurück gewonnen werden. Ein Energiespeicher musselektrische Energie kurzfristig speichern oder abgeben können. Diese Fähigkeit wird durch dieLeistung bzw. den den Leistungsgradienten beschrieben.Elektrische Energie kann direkt im elektrischen oder magnetischen Feld gespeichert werden(Kondensator bzw. supraleitende Magnetspule). Eine indirekte Speicherung erfolgt in che-mischer Form (Bleiakkumulatoren, Brennstoffzelle), in mechanischer Form als kinetischeEnergie in Schwungradspeichern nach Abb. 19-9 oder als potenzielle Energie (Gasdruck-speicher, Pumpspeicherwerke). Abb. 19-7 zeigt eine Übersicht über verschiedene Techno-logien zur Speicherung elektrischer Energie.

Die genannten Speichertechnologien weisen unterschiedliche Eigenschaften auf hinsichtlich

der speicherbaren Energie W (kWh),die nutzbare gespeicherte Energie wird als Speicherkapazität bezeichnet

der erzielbaren elektrischen Leistung P (kW), der zeitlichen Änderung der gespeicherten Energie (dW/dt)

des Leistungsgradientenmaximale zeitliche Änderung der Leistung pro Zeiteinheit (dP/dt)

der Energie- und LeistungsdichteVerhältnis der nutzbaren Energie bzw. Leistung zur Masse bzw. zum Volumen

der ZugriffszeitZeit zwischen Leistungsanforderung und Abgabe von 50 % der gespeichertenEnergie

der Zyklenfestigkeitdie Anzahl der Ladungen / Entladungen begrenzt die Lebensdauer

Abbildung 19-7

Speichertechnologien

direkt

elektrisches Feld

magnetisches Feld

indirekt

chemische Energie

kinetische Energie

potenzielle Energie

Kondensator

Induktivität

AkkumulatorBrennstoffzelle

Schwungrad

Pumpspeicherwerk

Speicherung elektrischer Energie

324 19 Stromversorgungen

Der Leistungsgradient sagt aus, wie schnell die geforderte Energie abgerufen oder gespeichertwerden kann. Den höchsten Leistungsgradienten erzielt man bei supraleitenden Spulen,Kondensatoren und modernen Schwungradspeichern. So werden Schwungradspeicher zurSpeicherung bzw. Bereitstellung von Brems- und Beschleunigungsenergie im schienenge-bundenen Personennahverkehr (SPNV) eingesetzt. Hierdurch lässt sich die Energieaufnahmeaus dem öffentlichen Netz vergleichmäßigen, wodurch sich insgesamt günstigere Tarife (unddamit Kosten) für eine Gleichstrom-Fahrstromversorgung ergeben.

Als Kurzzeit-Energiespeicher werden auch Doppelschichtkondensatoren (Supercap) ein-gesetzt. Doppelschichtkondensatoren haben Kapazitäten bis über 5000 F. Die Betriebsspan-nung liegt mit Rücksicht auf die Durchbruchspannung der chemischen Doppelschicht nichtweit über 2,5 V. Durch Reihen- und Parallelschaltung derartiger Kondensatoren lassen sich imSPNV z. B. bei einer Straßenbahn in stationären Anlagen ausreichende Energiemengenspeichern und damit Leistungsspitzen bei Anfahr- und Bremsvorgängen abfangen sowie eineVergleichmäßigung der Energieaufnahme analog zum Schwungradspeicher erzielen. Ver-gleichbare Anwendungen für Doppelschichtkondensatoren als Energiespeicher finden sich beiHybridantrieben in Kraftfahrzeugen zur Bereitstellung kurzzeitiger Leistungsspitzen.Schwungräder werden bei hohen Drehzahlen magnetisch gelagert. Liegt die Umfangs-geschwindigkeit des Rotors oberhalb der Schallgeschwindigkeit, so wird das Gehäuse eva-kuiert (Vakuumgehäuse).

Der magnetische Kreis supraleitender Energiespeicher (SMES) ist eisenfrei gestaltet underreicht magnetische Flussdichten bis 10 T. Supraleitende Energiespeicher haben einen sehrgroßen Leistungsgradienten und lassen sich in der öffentlichen Energieversorgung zur

Abbildung 19-8

Anwendungsbeispiel

Energiespeicher im SPNVzur wiederverwertbarenSpeicherung überschüssigerBremsenergie.

Speicher

BremsenFahren

Anfahren

Fahrzeug

Gleichrichter

Abbildung 19-9

Ausführungsbeispiel einesSchwungradspeichers

FU: Frequenzumrichter

Schwungradspeicher aus Kunst-faserverbundwerkstoff haben:

Drehzahlen bis über n = 40000 min-1

eine Kapazität bis ca. 3 kWheine Leistung bis ca. 2 MW

FU

Stator

Rotor

Schwungrad

Gehäuse

Lagerung

n

Berstschutz

P

L1L2L3

19.4 Energiespeicher 325

Verbesserung der Netzqualität, als Kurzzeit-Hochleistungsspeicher für USV-Anlagen sowiezur Blindleistungskompensation und Ganglinienglättung von Windkraftanlagen einsetzen.

Tabelle 19.1 Typische Daten aktueller Energiespeicher

Blei-Akku SMES Supercap Schwungrad

EnergiedichteWh/kg 120 < 2 2,2 5-50

Wh/l 90 2,6 20

Leistungdichte W/kg 100-700 1400 180-1800

Leistung kW 500 7000 10 < 15000

Energie/Leistung s > 1000 1-20 < 1 10-100

Zyklenzahl - 1500 > 106 106 > 106

Welche Speicherart einzusetzen ist, hängt von den betrieblichen und wirtschaftlichen Bedin-gungen ab. Bei Fahrzeugantrieben spielt neben Volumen und Masse die Kapazität (Reich-weite) und Zyklenfestigkeit (Lebensdauer) des Energiespeichers eine große Rolle. Die Datenin Tab. 19.1 dienen nur als Anhaltswerte. Darüber hinaus werden weitere Akkumulator-Technologien wie z. B. der Lithium-Ionen-Akku auch für den Einsatz als Fahrzeug-Energie-speicher erprobt. Kritisch sind bei Fahrzeugen wegen der Fahrdynamik auch der Leistungs-gradient sowie die speicherbare Energie bei Bremsvorgängen. Aktuelle Informationen zudiesem Thema sind über eine Online-Recherche (Suchmaschine) zu erhalten.

Der Leistungsgradient ist durch den zulässigen Lade-/Entladestrom (Blei-Akku, Kondensator)bzw. durch das zulässige Drehmoment (Schwungrad) begrenzt.Aufgabe der Leistungselektronik ist bei allen Speicherarten die Anpassung bzw. Steuerung desEnergieflusses zwischen Energiespeicher und Verbraucher (oft auch abhängig vom Lade-zustand) und die Sicherstellung des Speicher-Ladezustandes im störungsfreien Betrieb. DieseFunktionen werden unter dem Begriff „Power Management“ zusammengefasst.

Abbildung 19-10

Zusammenhangzwischen der gespei-cherten Energie (W),der Leistung (P) unddem Leistungs-gradienten (P ) :

Zugriffszeit

dt

dP

50%

P /W

W /Wh

tdt

dW

P

W

Entladen

Laden

Leistung:

P dWd t

Leistungsgradient:

P d Pd t