Wenn Stromabfälle die Energieversorgung sichern

Energie muss gerade in der Industrie effizient, fehlerfrei und umweltfreundlich genutzt werden können. Unterschiedliche Faktoren wie Netzrückwirkungen stören die Funktion der Energienetze jedoch. Deshalb werden sie in der Regel neutralisiert. Der Kunde zahlt sie trotzdem, könnte aber auch diese Energie nutzen.

Quelle: eSaver GmbH

Energie ist der wichtigste Rohstoff für moderne Gesellschaften. Doch die Entwicklung und Stabilisierung der Netze stottert. Durch den europäischen Energieverbund, alternative Energieerzeuger und damit verbundene Einspeiseschwankungen und durch fehlende Investitionen nimmt die Netzqualität rapide ab. Dazu kommen höhere Netzauslastungen durch die rasant steigende Zahl von elektrischen Verbrauchern der einzelnen Endanwender – privat und gewerblich. Die Netze brechen regional immer öfter zusammen.

Um die Netzstabilität zu halten, existieren Normen, deren Grundlage das EMVG ist. Hält der Anlagenbetreiber sie ein, unterstellen Energieerzeuger, dass die Netze ihren Aufgaben problemlos nachkommen. Ein Trugschluss. Allein die Netzrückwirkungen sind ein permanentes Problem, machen sie doch bis zu 60 Prozent der Energieleistung aus – die nicht genutzt wird, aber bezahlt werden muss.

Eine dieser Rückwirkungen sind Oberschwingungen³. Sie waren anfangs eher lästig, gefährden heute jedoch zunehmend den reibungslosen Betrieb von Industrie und Gewerbe. Sie gehören zu den niederfrequenten, leitungsgebundenen Netzstörungen, treten also nur bei der Netznutzung auf: Elektrische Verbraucher beziehen Energie aus dem deutschen Netz mit einer Wechselspannung von 230 Volt, die eine 50 Hz Sinusspannung aufweist. Nichtlineare Energieverbraucher wie Frequenzumrichter, Computer, Dioden oder Schaltregler erzeugen Netzrückwirkungen und verzerren den Sinusverlauf bis zu Frequenzen von 450 Hz oder höher. Aus derart hohen Frequenzen können elektrische 50 Hz Verbraucher aber keine Energie ziehen. Vielmehr müssen unterschiedliche Sicherungssysteme hohe Frequenzen neutralisieren, damit Endgeräte keinen Schaden nehmen.* Das ist bei niedrigen privaten Verbräuchen vertretbar, in der Industrie jedoch nicht hinnehmbar. Oberschwingungen werden hier besser als Wirkleistung genutzt.

Prinzipieller Aufbau der Mess-, Steuer- und Regelungstechnik des eSaver im Anlagenverbund Quelle: eSaver GmbH

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Der eSaver ermöglicht die Energienutzung aus Oberschwingungen, glättet Stromspitzen, gleicht Spannungsabfälle aus und stabilisiert das Netz beim Anwender. Grundlage ist das physikalische Prinzip, elektrische Energie kurzzeitig in einer Spule zwischen zu speichern. Dabei baut die Spule ein magnetisches Feld auf, hält die Energie und gibt sie gezielt wieder ab. Der eSaver arbeitet entsprechend. Obwohl Schulwissen, wird immer wieder angezweifelt, dass dieses Prinzip auf die Stromspeicherung aus Oberschwingungen übertragbar ist. „Die erste Frage, die Kunden stellen, betrifft das Verständnis des Funktionsprinzips des eSavers“, erklärt Michael Hartmann – technischer Produkt- und Projektleiter der eSaver GmbH.

Auf das Wesentliche reduziert, besteht der eSaver aus vier Komponenten. Dem Zugang, dem Sicherungskreis, einem Leistungsschalter und als zentraler Komponente, einem Tiefpassfilter.

Neben dem Zugang liegt der Sicherheitskreis, der, sollte der eSaver einmal defekt sein, sofort anspringt. Dann würde der Betrieb ohne den Oberschwingungsstrom über das Netz direkt beliefert. Eine Unterbrechung der Energiezufuhr und damit ein Ausfall der Produktion findet nicht statt. „Betriebsausfälle hatten wir bislang – seit 2014 – nicht“, bestätigt Europa Ing. Michael Schneider, Sicherheitsingenieur und Umweltmanagementbeauftragter der Odenwald-Chemie GmbH, in einem Referenzschreiben.

Neben dem Sicherheitskreis befindet sich der IZM Eaton Leistungsschalter. Ist der angezogen, läuft der hereinkommende Strom über den eSaver und damit über dessen Transformator. Je geringer die Frequenzschwankungen sind, desto höher kann der Schalter eingestellt werden und desto höher ist die Stromausbeute aus den Oberschwingungen.

Das Herz des eSavers ist ein steuerbarer Transformator, der als induktiver Tiefpassfilter wirkt. Die Induktivität dämpft Netzverunreinigungen und störende Energieoberschwingungen expressive, höherfrequente Ströme. Damit wird eine Stromglättung und somit eine Netzqualitätsverbesserung erreicht. Der Strom aus den Oberschwingungen kann genutzt werden.

Komponenten einer eSaver-Anlage – Ausführung mit 2 Trafo-Zugängen Quelle: eSaver GmbH

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Wie gehts? ¹Als Spezialtransformator erzeugt der eSaver ein riesiges Magnetfeld, in dem er Netzrückwirkungen im Millisekundenbereich puffert und als Nutzenergie an den Betrieb und dessen Energieverbraucher weiterleitet. Dazu wird der eSaver zwischen Energienetz und Betrieb geschaltet und liegt vor dem Trafo und weiteren Leistungserzeugern wie BHKW oder PV-Anlage des Kunden. Der oder die Trafos, falls der Kunde mehrere einsetzt, sollten dem Kunden expressive dem Betrieb gehören, da sie für den Einsatz des eSavers gerüstet, manchmal auch verstellt werden müssen. Denn in der Praxis finden sich häufig veraltete oder zu kleine Trafos oder unterdimensionierte Kabelquerschnitte. Diese Probleme werden während des Einbaus des eSavers gelöst. Teilen sich mehrere Firmen einen Trafo, werden die Manipulationen mit dem Energieversorger abgesprochen. „Es kommt gelegentlich vor, dass der Kunde eine Blindleistungskompensationsanlage benötigt“, beschreibt Hartmann. „Sie ist entweder als Ersatz für eine Altanlage oder aufgrund eines gestiegenen Blindleistungsanteils notwendig.“ Durch Netzqualitätsmessungen der elektrischen Anlagen des Kunden sind gelegentlich Mängel oder Störgrößen feststellbar. „Darauf weisen wir den Kunden hin, der Ratschläge gerne annimmt, um seine elektrische Ausrüstung zu ertüchtigen“, bestätigt Hartmann. Der eSaver ist eine Hard- / Softwarekombination. Beispielsweise sind manchmal vorgelagerte Mittelspannungsanlagen sowie Mittelspannungstrafos zu erneuern. „Hier setzen wir zum Beispiel MS-Trafos mit weniger Eigenverlusten und 5 Stufen ein, um die NSHV zu erweitern und physische Anbindungen für Generatoren, Netzersatzgeräte, Batteriesysteme, PV und Elektromobilität herzustellen“, erläutert Hartmann. Auch für raue Umgebungen gibt es Lösungen. „Aufgrund der extrem hohen Staubentwicklung auf dem Gelände, wurde der eSaver in einer isolierten staubsicheren Containerausführung hergestellt“, erläutert Iko Alten, Geschäftsführer der Alten Ziegelei GmbH & Co. KG, in einem Referenzschreiben. Weitere Anforderungen der Kunden sind, „die Software den gestiegenen Anforderungen des Systems anzugleichen“, erklärt Hartmann. „Dem kommen wir natürlich auch nach.“

eSaver 1200 kVA mit umfangreichen Zusatzausstattungen für eine Klinik Quelle: eSaver

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Der eSaver hat darüber hinaus auch Prestigewirkung. „Zusätzlich zur eSaver Stromsparanlage mit 100kVA im Jahr 2015, erhielten wir 2016 den Umweltpreis „Klimabewusstes Unternehmen“ der Energieeffizienzagentur Landkreis Emsland e. V.“, berichtet die Firma Langen CNC Metalltechnik GmbH & Co. KG in einem Referenzschreiben.

Stellt der eSaver Strom aus den Oberschwingungen zur Verfügung, zieht der Kunde keine Energie aus dem Versorgungsnetz, hat keine Kosten und erreicht eine Netzstromersparnis und damit Kostenersparnis von bis zu 24 Prozent.

eSaver gibt es in unterschiedlichen Größen. Von Kühlschrankgröße bis zu 20 Fuß Containern, je nach Auslegung für den entsprechenden Einsatz. „Zumeist fürchten Interessenten, dass es keinen Platz für einen eSaver-Schaltschrank gibt, häufig ohne im Vorfeld zu wissen, wie groß die Anlage tatsächlich wird“, bedauert Hartmann. „Der Interessent unterschätzt, mit wie viel Flexibilität wir unsere Anlage den örtlichen Gegebenheiten anpassen können.“

Schon zweimal bescheinigte der TÜV Rheinland, dass „eine Verfahrenstechnik entwickelt (wurde), die u. a. ein nachhaltiges Energiemanagement darstellt. In der vorgesehenen Kombination vermag das … entwickelte Verfahren eine signifikante Energieeinsparung zu erreichen sowie zur Netzstabilisierung und Erhöhung der Versorgungssicherheit beizutragen.“

Deshalb wird das System von der BAFA mit bis zu 40 % gefördert. Die Antragstellung ist einfach und „die darin erfahrenen eSaver-Mitarbeiter unterstützen den Kunden“, versichert Hartmann. „Nach dem Ausfüllen des Online-Antrags erhält das Unternehmen eine Rückmail, auf deren Basis diverse Unterlagen, die teilweise die eSaver GmbH bereitstellt, hochgeladen werden müssen. Dies dauert keine fünf Minuten.“ Das BAFA benötigt ca. sechs Wochen bis drei Monate bis zur Bewilligung der Fördergelder. „Gelegentlich gab es Rückfragen zu Anträgen – bis dato wurde jedoch kein Antrag abgelehnt“, betont Hartmann.

Das² System überzeugt Nutzer derart, dass sie von sich aus Werbung für eine Installation machen. Einer der aktivsten Werber ist Clemens Fleischmann. Er freut sich mit seiner Abfüllanlage für Mineralwasser über eine Energieersparnis von 10 – 13 Prozent im Jahr. „Wir füllen ein Naturprodukt ab … und wollen die Natur so intakt wie möglich halten“, erklärt Fleischmann in einem Video. „Dazu ist es wichtig, Ressourcen zu schonen … auch beim Strom. Bisher haben wir ungefähr 40.000,- € eingespart.“

Hertha-Margarethe Kerz – Industriejournalistin in Hamburg

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*1 eSaver Stromlaufplan Quelle: eSaver GmbH Nach Schaltplan des eSavers, erfolgt die Energiezufuhr vom bauseitigen Trafo über (1). Sollte der Sicherheitskreis manuell oder aus dem Automatikbetrieb heraus aktiviert werden, schließt Schalter (2) und die Energie wird unterbrechungsfrei über den Abgang (11) zu den Produktionssystemen des Kunden durchgeleitet.Eine derartige, manuelle Schaltung wird z. B. in der Phase der Inbetriebnahme einer eSaver-Anlage vorgenommen oder um Wartungen bzw. Reparaturen durchzuführen. Aus dem Automatikbetrieb heraus wird so geschaltet, wenn z. B. die Innentemperatur im eSaver-Schaltschrank einen gewissen Grenzwert überschreiten sollte. So ist sichergestellt, dass die Kundenanlagen immer mit Energie versorgt werden. Im Automatikbetrieb ist Schalter (2) geöffnet und der Hauptschalter (3) geschlossen, so dass sich im eSaver-Transformator ein Magnetfeld aufbauen kann. Die Software startet immer im sogenannten Bypassbetrieb, bei dem – ähnlich wie beim Sicherheitskreis – die Energie zunächst vom bauseitigen Trafo (1) über (13) und (4) an den Abgang (11) an die Produktionsanlagen durchgeleitet wird. Ist die Versorgungsspannung über den bauseitigen Trafo ausreichend hoch, beginnt die Automatik nach entsprechenden Messzyklen sukzessive die 3 Stufen (8), (9), (10) zu schalten, die eine Gegeninduktion in dem eSaver-Transformator hervorrufen. Fällt die Versorgungsspannung wieder ab, wird wieder in die unteren Stufen zurückgeschaltet, ggf. bis in den Bypass.

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