USV im Sekundärnetz möglich

Immer mehr Betriebe installieren Solar- oder Windenergieanlagen auf ihren Grundstücken, und möchten die selbst erzeugte Energie nutzen. Zudem gibt es in Gewerbe und Industrie einen großen Anteil an Gasmotoren für den Betrieb mit Erdgas, Biogas oder ähnlichen Energieträgern. In Zukunft werden auch wasserstoffbasierte Systeme hinzukommen, da viele Gasmotoren bereits H₂-ready sind. Und nicht zuletzt kommt für den Notbetrieb noch immer das klassische Netzersatzaggregat zum Einsatz.

Demgegenüber stehen jedoch immer höhere Ansprüche an die Versorgungssicherheit und Netzstabilität, da komplexe Produktionsanlagen schon bei geringen Schwankungen Probleme bis hin zum teilweisen Anlagenausfall aufweisen können. Wenn Rauchgasventilatoren, Feuerwehraufzüge, Druckerhöhungspumpen, Sprinklersysteme oder ähnliche Einrichtungen gesetzlich gefordert werden, müssen zudem häufig auch behördlich beauflagte Stromversorgungskonzepte mit Notstromversorgern, sogenannte Central Power Supplies (CPS), umgesetzt werden.

Unterbrechungsfreier Strombetrieb trifft auf erneuerbare Energien

Allerdings lässt sich nicht jeder Umrichter im Bereich der CPS einfach so einsetzen. Die Technik muss nach EN50171 oder DIN VDE V 0100-560-1 (Ausgabe Oktober 2022) ausgelegt und konstruiert sein. Zusätzlich muss auch das Verbrauchsprofil des Betreibers entsprechend dieser Norm festgelegt werden. Dies betrifft nicht nur die durchschnittlich erbrachte Leistung bzw. Energiemenge, sondern auch das Anlaufverhalten von Maschinen sowie die selektive Sicherungsauslösung. Schließlich werden Notstromnetze auf den langzeitstabilen Autarkbetrieb ausgelegt. Hierbei fällt auf, dass viele Betreiber mit hohen Anforderungen an die Versorgungssicherheit ihrer Industrieanlage oder Gewerbeeinrichtung ähnliche Interessen verfolgen: Der Betrieb soll möglichst unabhängig vom Versorgungsnetz und zugleich stabil sein. Es stellt sich also die Frage: Wie lässt sich der stabile und unterbrechungsfreie Notbetrieb mit der Nutzung erneuerbarer Energien in Einklang bringen? Netzersatzaggregate können bspw. Solarenergie nicht direkt speichern und erneuerbare Energien im Notbetrieb daher nur indirekt nutzbar machen.

Herausforderungen netzparalleler Speicher

Aus diesem Grund sind netzparallele Speicher heute der am weitesten verbreitete Weg, um eine Eigenverbrauchsoptimierung in einer Industrie- oder Gewerbeanlage vorzunehmen. Doch wie arbeitet ein solches System? Zunächst wird am Netzübergabepunkt des Verteilnetzbetreibers ein Powermeter installiert, dessen Daten von einem sogenannten Energiemanagementsystem (EMS) ausgelesen werden. Der Bezugs- oder Lieferungs-Wert für den Umrichter des Speichers wird vom EMS vorgegeben. Das geschieht meist recht träge, da der Messstellenbetreiber nur den Mittelwert über die Viertelstunde betrachtet. Ziel ist hierbei in erster Linie die Entgeltoptimierung. Der Speicher selbst kann theoretisch an einem beliebigen Ort in der Kundenanlage platziert sein, allerdings ist ein zentraler Ankoppelungspunkt in der Niederspannungshauptverteilung (NSHV) empfehlenswert.

Gemäß den Technischen Anschlussregeln (TAR) muss der Speicher nach TAR AR-N-4105 in der Niederspannung unter neuerdings 500 kW kumulierter Umrichterleistung (Typ1, Typ2 und Speicher) oder nach TAR AR-N-4110 oberhalb dieser Leistungsschwelle bzw. in der Mittelspannung beim Verteilnetzbetreiber angemeldet werden. Je nach Leistungsklasse ist eine Schnittstelle zum Verteilnetzbetreiber für Redispatch, also Drosselung und Abschaltung, zu installieren. Zusätzlich ist ein häufig mehrstufiger Netz- und Anlagenschutz als netzqualitätsbasierte Trenneinrichtung aufzubauen.

Dabei muss sich der Umrichter des Speichers nach TAR auch an der Netzstützung beteiligen. Dies bedeutet für den Nutzer, dass zumindest für kurzzeitige Unterbrechungen der Versorgungsspannung hochgradig gesorgt ist. Im Moment einer Unterversorgung des öffentlichen Verteilnetzes erfolgt durch den Speicher eine dynamische Netzstützung. In diesem Fall kann das Netz nicht genug liefern – auch nicht an den Betreiber des Speichers. Dieser kann sich nur beteiligen, wozu er nach TAR auch verpflichtet ist. Der Verteilnetzbetreiber hat Zugriff auf seine Einrichtung und die Netzqualität nimmt Einfluss auf die Abschalteinrichtung der Anlage sowie die Funktion des Speichers.

Selektive Ansteuerung nach Kurzunterbrechung

Einige netzparallele Speicher können bei einem Netzausfall im weiteren Zeitverlauf ein eigenes Notnetz aufspannen. Damit der Umrichter jedoch wieder hochfahren und ein Energienetz zur Verfügung stellen kann, muss ihn eine Umschalteinrichtung sicher vom öffentlichen Netz trennen. Dieser Vorgang benötigt eine gewisse Zeit. Um Kosten zu sparen, wird der Umrichter oft nur auf einen Teilbetrieb des Betreibernetzes ausgelegt. In diesem Zusammenhang wird meist eine Lastabwurfsteuerung installiert. Auch hier wird klar, dass eine zeitliche Unterbrechung erforderlich ist, damit später nur ein bestimmter Teil der Kundenanlage wieder hochgefahren werden kann. Ebenfalls ist nach Kurzunterbrechung zu beachten, dass das Anfahrverhalten der motorischen und kapazitiven Lasten mit erheblichen Überlastwerten direkt auf den Umrichter einwirkt, was gegebenenfalls durch eine sequenzielle Anlaufsteuerung begrenzt werden kann.

Die Kunst der Einhaltung der zuvor erwähnten VDE 0100 besteht zusätzlich darin, das Netz bzw. die Sicherungsstaffelung beim Kunden so aufzubauen, dass diese weiterhin selektiv ist und Verbraucher sowie Maschinen ungestört wieder anlaufen können. Bei den meisten Umrichtern scheitert dies allerdings schon am technischen Datenblatt. Denn dort fehlt oftmals die Angabe, welche Überlast möglich ist, wie lange diese bei Nennspannung stattfinden sowie welchen Kurzschlussstrom der Umrichter über welchen Zeitraum sicher leisten kann. Auch der Aufbau des eigentlichen Notnetz-Bereiches des Betreibernetzes muss so gestaltet werden, dass ein normgerechter Betrieb im Notnetz überhaupt möglich ist.

Unterbrechungsfreie Stromversorgung mittels ­Doppelwandlung

Geht es dem Kunden primär um Versorgungssicherheit, so passt dazu nicht die nach TAR zwingende Integration von Redispatch, Netz- und Anlagenschutz sowie die dynamische Netzstützung. Zwar erhöht sich die allgemeine Versorgungssicherheit durch den Speicher in dezentral versorgten Netzen, allerdings wird sich der anspruchsvolle Betreiber mit aufwändigen Maschinenparks, Internet of Things (IoT), IT und anderen geschäftskritischen Anwendungen kaum auf diesen Effekt verlassen wollen. Ein anderer Weg zur Nutzung erneuerbarer Energien in Verbindung mit Versorgungssicherheit kann ein Inselnetz sein. Dabei ist darauf zu achten, dass keinerlei Verbindung zum Verteilnetzbetreiber besteht oder nachträglich hergestellt werden könnte. In einem solchen Netz lässt sich theoretisch alles ungeachtet der TAR realisieren. Allerdings scheitert es hier oft an der umfassenden Kenntnis der Dynamik des eigenen Energiesystems.

Eine weitere Lösung, die sich in vielen Fällen anbietet, ist die Nutzung von sogenannten Doppelwandlern. Sofern sie netzseitig unidirektional erfolgt, ist die Doppelumwandelung ebenfalls eine Möglichkeit, um sich aus dem Bereich des öffentlichen Netzes und der Zuständigkeit der TAR des Verteilnetzbetreibers herauszuhalten. Ein solcher Doppelwandler lässt sich mithilfe einer speziellen Art USV-Anlage, einem sogenannten Hybrid Battery Storage (HBS), realisieren. Nach den Vorgaben des VDE FNN ist darauf zu achten, dass der Bypass der USV-Anlage dauerhaft gesperrt sein muss. Bei HBS- und HBS-HE-Systemen von Riello bspw. handelt es sich um Geräte auf Basis einer Rechenzentrums-Doppelwandler-USV nach der Norm für USV-Geräte EN 62040-3. Gemäß dieser besitzen sie die Klassifikation VFI SS111 und sind somit unterbrechungsfrei.

Eigenverbrauchsoptimierung mit HBS

Was macht ein HBS-System anders als herkömmliche USV-Anlagen? Bei diesem System dürfen netzparallele Erzeuger wie Photovoltaik, Windkraftanlagen und Blockheizkraftwerke hinter der USV im Sekundärnetz betrieben werden. Innerhalb der regeltechnischen Grenzen kann das Gerät 90 % seiner Nennleistung dauernd vom nachgelagerten Erzeuger in die Batterie abführen. Durch die Vier-Quadranten-Regelung des USV-Wechselrichters entsteht dabei ein stabiler Netzregler, der ein eigenes sekundärseitiges Notnetz erzeugt. In der Baureihe wird vornehmlich eine Lithium-Eisen-Phosphat-Batterie (LFP) eingesetzt, die sich für den Regelbetrieb ebenso wie die heute gewünschte Eigenverbrauchsoptimierung eignet. Dabei kommuniziert die HBS mit dem Batteriemanagementsystem (BMS) der Batterie und kann auf deren aktuelle Bedürfnisse oder Sonderlagen eingehen. Zusätzlich wirkt sich der statische Bypass positiv auf die Versorgungssicherheit aus, da das Gerät zwischen dem öffentlichen Netz und dem eigenen Wechselrichter quasi unbemerkt schalten kann, sodass die Unterbrechungsfreiheit nach EN 62040 gewährleistet wird.

Unabhängiges und versorgungsstabiles Notnetz

Die Batterie der HBS ist physikalisch ein Speicher und gehört gleichzeitig zu einem Netzregler. Das bedeutet, dass die Bundesnetzagentur sie regulatorisch als Speicher behandelt, während der Verteilnetzbetreiber hierbei von einer USV mit sekundärseitigem Notnetz spricht. Da das System nach EN 62040-3 über einen Rückspeiseschutz verfügt, ist technisch ausgeschlossen, dass das Gerät mit seinem Umrichter ins öffentliche Netz oder am öffentlichen Netz netzparallel speist. Damit handelt es sich um einen netzseriellen Speicher, der nicht unter den Zuständigkeitsbereich des Verteilnetzbetreibers fällt. Letzterer ist lediglich an der Leistung und den Netzrückwirkungen des Gleichrichters entsprechend seiner Technischen Anschlussregeln interessiert. HBS-Systeme bieten sich für ein von Dritten unbeeinflusstes, versorgungsstabiles Notnetz an, das für den Betrieb von Maschinen wie CNC-Fräser oder Lasercut-Anlagen geeignet ist und zusätzlich als behördlich beauflagter Notstromversorger CPS zertifiziert nach EN 50171 betrieben werden kann. CPS werden grundsätzlich vom Prüfsachverständigen abgenommen sowie Wiederholungsprüfungen durch den Prüfsachverständigen durchgeführt.

Erneuerbare Energien im Einklang mit Versorgungssicherheit und Netzstabilität

Der hauptsächliche Verwendungszweck von HBS-Systemen liegt beim Betreiber in Industrie und Gewerbe, der auf die Aspekte Versorgungssicherheit, Netzstabilität sowie Schutz vor Flicker und Brownouts genauso viel Wert legt wie auf Eigenverbrauchsoptimierung und PeakShaving in Verbindung mit erneuerbaren Energien und anderen eigenen Elektroenergieerzeugern. Um diesen Bedürfnissen gerecht zu werden, hat bspw. der Hersteller Riello Power Systems sein HBS-Gerät um ein Energiemanagementsystem erweitert, mit dem auch Erzeuger und Lasten anderer Hersteller gesteuert werden können. Dieses EMS ist kompatibel mit einer Vielzahl an Herstellern. Von Photovoltaik, Kleinwindkraft, Blockheizkraftwerke, Brennstoffzellen, RedoxFlow bis hin zu Lastmanagement, Regelung von EV-Ladeparks oder „Vehicle to Grid“ (V2G) ist mit Geräten von Drittanbietern aus einer umfangreichen Kompatibilitätsliste vieles möglich.