Wann lohnt sich die Energierückspeisung?
Rückspeisefähige Umrichter machen generatorische Energien nutzbar
Rückspeise-Technologien speisen Bremsenergie zurück ins Netz. Dies kann ein sehr energieeffizienter Ansatz sein. Häufig bergen diese Technologien allerdings höhere Investitionskosten. Auch können zusätzliche Energieverluste durch schlechtere Wirkungsgrade entstehen, sodass kaum bis keine Energieeinsparungen erzielt werden. Überprüfen Sie daher stets, ob sich die Investition in Rückspeiseeinheiten in Ihrer Anwendung lohnt. Wie das geht, erfahren Sie in dieser Tech Insight.
Energierückspeisung: Was ist generatorische Energie?
Generatorische Energien begegnen uns im Alltag – beispielsweise beim Bremsen mit dem Hybrid- oder Elektroauto. Beim Bremsen wird der Elektromotor des Autos zum Generator und die Bremsenergie fließt als elektrische Energie in die Batterie zurück. Das Wirkungsprinzip in der Industrie ist das gleiche.
Der Energiefluss bei drehzahlgeregelten Antriebssystemen läuft vom Netz zur Arbeitsmaschine. Ein drehzahlgeregeltes Antriebssystem besteht aus den folgenden Komponenten: Das elektrische Netz liefert die benötigte Leistung, um den Arbeitsprozess anzutreiben. Der Umrichter wandelt die konstante Spannung und Frequenz des Netzes in variable Größen um und gibt dem Motor die Drehzahl vor. Der Elektromotor treibt den Arbeitsprozess an, indem er die elektrische Leistung in mechanische Leistung umwandelt. Die Arbeitsmaschine wandelt die mechanische Leistung des Motors zum Beispiel in Bewegung, Materialtransport oder Druck um.
Im generatorischen Betrieb wirken alle physikalischen Vorgänge in umgekehrter Richtung. Das heißt bei bestimmten Betriebszuständen gelangt die Energie von der Arbeitsmaschine zurück zum Umrichter.
Wann tritt generatorische Energie auf?
Die Arbeitsmaschine erzeugt generatorische Energie in bestimmten Betriebszuständen wie zum Beispiel bei Abbremsvorgängen von Zentrifugen. Hierbei verringert sich die Drehzahl der Arbeitsmaschine und die zuvor aufgenommene Bewegungsenergie (kinetische Energie) wird abgegeben. Auch das Absenken eines Hubwerkes oder eines Aufzugs stellt solch einen Betriebszustand dar. Hier wird die potenzielle Energie, die zuvor beim Anheben oder Halten der Last aufgenommen wurde, wieder abgegeben.
Findet bei einer Anwendung mit Elektromotor ein Bremsvorgang statt wie z.B. bei Herunterfahren eines Aufzugs, dann entsteht generatorische Energie, die zurück ins Netz gespeist werden kann.
Die von der Arbeitsmaschine abgegebene Energie wird vom Elektromotor, der nun als Generator wirkt, aufgenommen und in elektrische Energie umgewandelt. Je häufiger die beschriebenen Betriebszustände vorliegen, desto häufiger läuft der Motor als Generator und desto mehr generatorische Energie kann zurückgespeist werden.
Ein Teil der Energie geht durch die mechanische Arbeit der Last und durch die Reibearbeit als Verlustleistung verloren. Der übrige Teil gelangt über den Motor in den Zwischenkreis des Umrichters. Der typische Aufbau von Frequenzumrichtern verhindern den Energiefluss vom Umrichter zum Netz, daher wird die Energie meist in Wärme umgewandelt und als Verlustleistung an die Umgebung abgegeben. Um die Energie nutzbar zu machen, kommen verschiedene Rückspeisetechnologien zum Einsatz.
Umgang mit generatorischer Energie
Lassen Sie uns zunächst Methoden betrachten, bei denen die generatorische Energie ungenutzt bleibt und abgeführt wird, aber keine oder nur geringe Investitionskosten auftreten.
- Motor als Bremswiderstand: Der Motor selbst wirkt dabei als Bremswiderstand und nimmt die Energie als Wärmeenergie auf. Das Grundprinzip basiert hierbei auf einer Ummagnetisierung des Motors. Bei zu hoher generatorischer Energie kann der Motor jedoch leicht überhitzen, wodurch das Risiko entsteht, dass der Motor Schaden nimmt und ausfällt.
- Brems-Chopper mit Bremswiderstand: Zu den Verlustbremsverfahren gehören auch Brems-Chopper mit Bremswiderstand. Auch dieses Verfahren unterliegt dem Prinzip, die Energie in Wärme umzuwandeln. Der Brems-Chopper ist ein Halbleiterschalter, der die Zwischenkreisspannung auf einen Bremswiderstand pulst, wodurch ein getakteter Stromfluss im Bremswiderstand entsteht. Dieser Stromfluss erzeugt durch den Ohmschen Widerstand des Bremswiderstandes Wärme, die an die Umgebung abgegeben wird.
So nutzen Sie generatorische Energie
In der Praxis gibt es alternativ zu den Bremsverlustverfahren zwei gängige technische Lösungen, die die generatorische Energie nutzbar machen. Beide technische Lösungen sind mit Danfoss-Frequenzumrichter möglich.
- Zwischenkreiskopplung durch Frequenzumrichter mit aktivem Gleichrichter: Dieser Frequenzumrichtertyp kann seinen Gleichstrom-Zwischenkreis mit dem Zwischenkreis anderer Geräte verbinden. So ist eine Versorgung anderer Geräte direkt mit der rückgespeisten Energie möglich. Es gibt dabei jedoch einige Einschränkungen zu beachten. Beispielsweise sollten Anwender sicherstellen, dass ein Kurzschluss in einem Gerät keine anderen Geräte beschädigen kann. Außerdem ist zu berücksichtigen, welche Konsequenzen es hat, wenn alle gekoppelten Geräte gleichzeitig generatorisch erzeugte Energie abgeben.
- Leistungsrückführung durch rückspeisefähige Frequenzumrichter: Frequenzumrichter mit Active Front-End oder Active Infeed Converter können generatorisch erzeugte Leistung zurück ins Stromnetz speisen. Diese Geräte erfordern eine höhere Anfangsinvestition. Ob diese Geräte zur Rückspeisung ins Netz wirtschaftlich sind, hängt von drei Faktoren ab.
Rückspeisefähige Frequenzumrichter: Wann lohnt sich die Investition?
Mit rückspeisefähigen Umrichtern geht generatorische Energie nicht verloren, sondern wird genutzt. Das verbessert die Energieeffizienz. Allerdings haben rückspeisefähige Umrichter im Vergleich zu nicht-rückspeisefähigen Umrichtern schlechtere Wirkungsgrade und dementsprechend wesentlich höhere Verluste. Deshalb sollte bei jeder Anwendung überprüft werden, ob die Rückspeise-Energie jene Verluste ausgleichen kann und sich die erhöhte Investition in einen rückspeisefähigen Umrichter lohnt. Wirtschaftlichkeit der Rückspeisung lässt sich über die folgenden drei Faktoren ermitteln:
- Menge der verfügbaren generatorischen Energie: Die meisten Anwendungen erzeugen Energie bei Verzögerungsprozessen. Diese Energie nimmt während der Drehzahländerung kontinuierlich ab. Theoretisch entspricht die generatorische Energie 50 Prozent der Differenz zwischen der Energie, die bei Beginn der Verzögerung im System ist, und der Energie, die am Ende der Verzögerung im System vorhanden ist. In der Realität liegt dieser Wert aber irgendwo zwischen 10 und 20 Prozent. Ausnahmen gibt es bei Aufzügen, Kränen und Hubanwendungen.
- Lastzyklus und Zeitanteil des generatorischen Betriebs: Je häufiger ein Motor im generatorischen Modus läuft, desto mehr Energie kann er ins Netz zurückspeisen. Deshalb sind die Zustände im Lastzyklus zu ermitteln, die Energie erzeugen. Ein Lastzyklus definiert sich zum Beispiel aus dem Zeitanteil des Hebens (motorischer Betrieb) und des Absenkens (generatorischer Betrieb) eines Hubwerkes.
- Verluste: Motor, Kabel, Getriebe und sogar das rückspeisende Gerät selbst erzeugen Verluste, die die in das Netz zurückzuführende Energie reduzieren. Die Verluste des rückspeisefähigen Umrichters sind dabei viel höher als bei einem Standardfrequenzumrichter. Denn sie nutzen einen aktiven Gleichrichter, dessen Verluste sowohl im Betrieb wie auch im Standby doppelt so hoch sein können wie bei einem normalen Gleichrichter. Abhängig von der Konstruktion erzeugen rückspeisefähige Frequenzumrichter ohne notwendige Filter mehr Oberschwingungsströme, die auch zu höheren Verlusten im Netz führen können.
Für das Fallbeispiel Personenaufzug ergibt sich aus der Kalkulation rechts, dass der Einsatz von Bremsenergie wirtschaftlich nicht sinnvoll ist.
Bei Personenaufzügen entsteht generatorische Energie, wenn der Aufzug nach unten fährt. Dennoch lohnt sich der Einsatz von rückspeisefähigen Frequenzumrichtern nicht, da der Zeitanteil im generatorischen Betrieb zu gering ist. Die generatorische Energie kann somit die zusätzlichen Verluste des rückspeisefähigen Umrichters nicht ausgleichen. Es können keine Einsparungen durch die Rückspeisung erzielt werden. Der Energieverbrauch ist bei einem Standard-Umrichter niedriger.
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Das zweite Fallbeispiel betrachtet einen Hallenkran. Der Zeitanteil des generatorischen Betriebs ist hoch. Es werden Energieeinsparungen durch die Rückspeisetechnologie erreicht. In der Beispielrechnung können damit jährlich etwa 210 Euro an Energiekosten gespart werden. Die Investition amortisiert sich entsprechend bereits nach vier Jahren, bei höheren Energiepreisen sogar noch schneller.
Jede Anlage ist selbstverständlich individuell zu betrachten. Betreiben Sie in Ihrer Anlage ein Hubwerk, einen Personenaufzug oder eine Zentrifuge? Möchten Sie erfahren, ob die Rückspeisung generatorischer Energie sinnvoll ist? Kontaktieren Sie einen Danfoss-Experten, um eine individuelle Kalkulation zu erhalten.
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