Vorteile nutzen

Einsparung von Energie lässt sich in vielen Bereichen nutzen. So kann es in etlichen Anwendungen, bei denen häufig gebremst und beschleunigt wird, sinnvoll sein, die Bremsenergie rückzuspeisen oder für die Weiterverwendung zwischenzuspeichern, statt sie einfach über Bremswiderstände zu „verheizen“.

Exklusiv in KEM Die Autoren: Gerd Kretzschmar, Entwicklungsleiter Energiespeicher bei der Refu Elektronik GmbH, Pfullingen, und Ellen-Christine Reiff, Redaktionsbüro Stutensee, Stutensee

Generell lässt sich durch die Kopplung mehrerer elek-. trischer Antriebe über einen DC-Zwischenkreis ein Energieaustausch zwischen motorisch und generatorisch betriebenen Antrieben realisieren, d.h. man kann die Bremsenergie eines Antriebs zur Beschleunigung eines anderen nutzen. Ein solcher Betrieb lohnt sich z.B. in Anwendungen, bei denen eine bewegte Last geregelt gebremst und anschließend wieder beschleunigt wird. Die physikalische Bewegungsenergie der Last bzw. ihre kinetische Energie lässt sich dann wieder in elektrische umwandeln und geht nicht als Wärme verloren. Wird allerdings mehr Energie erzeugt, als motorisch gleichzeitig benötigt wird, muss sie auch in diesem Fall über Verluste abgebaut werden; die Aufgabe übernehmen dann die Bremswiderstände. Man kann diesen Energieüberschuss auch temporär in Puffern speichern; so steht sie zeitversetzt für Beschleunigungsvorgänge bereit.

Energiepuffer im Zwischenkreis

Solche Energiepuffer im Zwischenkreis sind in vielen Anwendungen sinnvoll, ganz besonders bei Maschinen mit Hybridantrieb, bei denen ein Verbrennungsmotor einen elektrischen Generator antreibt, der seinerseits dann wiederum meist mehrere Elektromotoren versorgt. Bei solchem „Inselbetrieb“ ist eine Rückspeisung naturgemäß nicht möglich. Hybrid-Fahrzeuge, mobile Arbeitsmaschinen und Krane sind typische Vertreter dieser Klasse. Energiepufferung kann sich in einzelnen Fällen aber auch bei direkt am Netz betriebenen Systemen lohnen, wenn kurzfristige Lastspitzen vermieden werden sollen, z.B. bei vertikalen Fördereinrichtungen. Die Netzeinspeisung wird dann deutlich kleiner und damit preiswerter ausfallen. Für den Betreiber sinken dadurch die Netzanschlusskosten. Es lohnt sich also, sich mit der Thematik „Energiespeicherung im Zwischenkreis“ auseinanderzusetzen, sowohl aus ökonomischen als auch aus ökologischen Gründen.

Batteriesysteme und Doppelschicht-Kondensatoren

Anwendungen, bei denen sich die Energierückspeisung und Pufferung rechnet, haben jedoch verschiedene Anforderungen an die eingesetzten Komponenten und es gilt, bei der Realisierung individueller Lösungen subtil die jeweiligen Gegebenheiten zu berücksichtigen.

Mit einem breit gefächerten Produktprogramm kombiniert mit jahrelanger Erfahrung und einer gehörigen Portion Know-how hat sich Refu Elektronik, Pfullingen, auf diesem Gebiet mittlerweile einen Namen gemacht. Alle Geräte des renommierten schwäbischen Unternehmens funktionieren auch unter rauen und erschwerten Umgebungsbedingungen zuverlässig und sind als Einzelgerät oder im Schaltschrank verbaut lieferbar.

Für die Energiepufferung im Zwischenkreis stehen prinzipiell unterschiedliche Möglichkeiten zur Wahl. Als Speichersysteme kommen je nach Anwendungsfall Batteriesysteme oder Doppelschicht-Kondensatoren oder auch eine Kombination aus beiden infrage. Die prinzipielle Funktionsweise ist einfach zu verstehen:

Zunächst wird die von den im Generatorbetrieb arbeitenden Antrieben zurückgelieferte Energie im Zwischenkreis über einen DC-DC-Steller an das Spannungspotenzial des Speichersystems angepasst und dort eingespeichert. Die DC/DC-Steller können sowohl im Modus „Spannungsregelung“ als auch im Modus „Stromregelung“ und „Leistungsgeregelt“ betrieben werden. Sie decken den Eingangsspannungsbereich von 300 bis 800 V ab, bei Ausgangsspannungen zwischen 75 und 800 V. Die Frequenzum- bzw. Wechselrichter sind für Einachsantrieb oder Gruppenantrieb konzipiert. Sie arbeiten im Leistungsbereich von 7,5 bis 250 kW bei einer Ausgangsfrequenz von bis zu 700 Hz. Die programmierbare interne Steuerlogik macht sie für sehr unterschiedliche Anwendungen tauglich.

Doppelschicht-Kondensatoren, bekannt auch als Supercaps, eignen sich insbesondere für kurzzeitige Speichervorgänge im Bereich einiger Sekunden und häufige Wechsel zwischen Speichern und wieder Abgeben der Energie, da sie sich schnell laden lassen und fast schlagartig die Energie wieder zur Verfügung stellen. Hinzu kommt, dass der Lade- und Entladeprozess ein rein physikalischer Vorgang ist, der nicht zu einer Veränderung der Elektrodenstruktur führt, also verschleißlos arbeitet. Dadurch sind Doppelschichtkondensatoren für Anwendungen mit kurzen und zahlreichen Zyklen geradezu prädestiniert. Für längere Speichervorgänge bieten sich hingegen Batteriesysteme an. Refu hat beispielsweise anschlussfertige Batteriesysteme im Bereich von 2 bis 240 kWh im Programm, bestehend aus Lithium-Akkumulatoren. Die Batteriespannungen liegen zwischen 24 und 800 V. I