Frequenzumrichter vom Typ FR-A741 von Mitsubishi Electric.
Mit moderner Automatisierungstechnik von Mitsubishi Electric gestaltet ein Mühlenbesitzer seine alte Wassermühle in ein Kleinkraftwerk zur umweltfreundlichen Stromerzeugung um. Ein Frequenzumrichter wandelt dabei den erzeugten Strom auf die Frequenz des öffentlichen Stromnetzes und die drehzahlvariable Turbine hebt den Wirkungsgrad.
In der modernisierten Anlage arbeitet die Francis-Turbine weiter.
Die alte Wassermühle des Weilers Dürrnhof im Landkreis Ansbach in Bayern blickt auf eine lange Geschichte zurück. Früher wurde sie als Kornmühle einer klösterlichen Niederlassung genutzt, bevor sie in den 1930er Jahren der damalige Besitzer zu einem Sägewerk umbaute. Das Wasserrad verschwand, an seine Stelle rückte die noch heute zur Energieerzeugung verwendete Francis-Turbine. Auch der etwa einen Hektar große Stauweiher und der Zulauf zur Turbine sind aus dieser Zeit erhalten geblieben. Fast 30 Jahre lang trieb die Turbine über eine Transmissionswelle die Säge an, dann übernahm in dem bis heute in Betrieb befindlichen Sägewerk ein Elektromotor diese Aufgabe. Im Zuge der Generalüberholung im Jahr 1960 erhielt die Turbine eine neue Funktion. Gekoppelt mit einem Gleichstromgenerator produzierte sie seitdem Strom für den privaten Energieverbrauch, jedoch – gemessen an den heutigen technischen Möglichkeiten – nur mit mäßiger Ausbeute.
Deshalb entschloss sich Werner Dürr, der heute mit seiner Familie in dem alten Mühlhaus aus dem 18. Jahrhundert lebt, das Kleinwasserkraftwerk grundlegend zu modernisieren. Damit sich eine solche Investition auch wirtschaftlich rechnet, sollte die Anlage künftig nicht nur Strom für den privaten Haushalt liefern, sondern zusätzlich Energie in das öffentliche Versorgungsnetz einspeisen. Regenerativ erzeugter Strom aus neuen Wasserkraftanlagen bis 500 Kilowatt Leistung wird in Deutschland nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) derzeit mit 12,67 Cent pro Kilowattstunde für die Dauer von 20 Jahren vergütet.
Zentraler Baustein der von der Firma Eisemann Elektrotechnik aus Bamberg umgerüsteten Anlage ist ein Frequenzumrichter vom Typ FR-A741 von Mitsubishi Electric. Er wandelt die von einem Asynchrongenerator erzeugte elektrische Energie auf die Frequenz des öffentlichen Stromnetzes von 50 Hertz um. 7,5 Kilowatt bei 1430 Umdrehungen pro Minute leistet der als Generator eingesetzte Energiesparmotor, der über einen Riemenantrieb mit der rund 80 Jahre alten Francis-Turbine verbunden ist. Bei diesem bis heute in Wasserkraftwerken meistverbreiteten Turbinentyp wird das Wasser durch ein feststehendes Leitrad mit verstellbaren Schaufeln auf die gegenläufig gekrümmten Schaufeln des Laufrads gelenkt.
Frequenzumrichter vom Typ FR-A741 von Mitsubishi Electric.
Bessere Leistungsausbeute
Das Problem vieler Kleinwasserkraftwerke ist das zeitlich schwankende Wasserangebot, das vor allem im Teillastbereich häufig einen optimalen Betrieb der Anlage verhindert. Denn der Wirkungsgrad von Turbine und Generator – und damit die elektrische Leistung – hängt stark von der Durchflussmenge und der Drehzahl ab. Ähnlich wie bei einem Auto liefert eine konstante Drehzahl den besten Wirkungsgrad. Häufiges Beschleunigen und Verzögern verringert die Leistungsausbeute. Für einen effektiven Betrieb ist somit ein möglichst gleichmäßiger Wasserzulauf und eine Drehzahlanpassung der Turbine und des Asynchrongenerators an das verfügbare Wasserangebot erforderlich.
Die Daten des Wasserstandssensors werden regelmäßig an eine Kleinsteuerung vom Typ Alpha XL weitergegeben.
Ein Sensor erfasst deshalb kontinuierlich den Wasserstand vor dem Turbineneinlauf und überträgt die Daten an eine Kleinsteuerung vom Typ Alpha XL. Abhängig vom Füllstand gibt der Sensor dem Frequenzumrichter mit Hilfe eines Drehgebers seine Frequenz vor und regelt gleichzeitig über einen Gleichstrommotor die Stellung der Turbinenschaufeln und damit die Wasserzufuhr zur Turbine. Diese Regelung hält den Füllstand des Staubeckens auf konstantem Niveau und gewährleistet den gleichmäßigen Betrieb der Anlage. Ist der Füllstand hoch, etwa zur Zeit der Schneeschmelze oder bei Starkregen, öffnet der Zulauf. Durchfluss und Drehzahl der Turbine steigen und somit auch die Einspeiseleistung über den Umrichter. Ein weiterer Vorteil des Frequenzumrichters ist die Wirkungsgradkompensation. Eine Francis-Turbine hat bauartbedingt einen relativ engen Drehzahlbereich, indem sie mit einem guten Wirkungsgrad arbeitet. Die ausgereifte Regelungstechnik des Frequenzumrichters erweitert den Bereich, in der die Turbine eine ausreichende Energiemenge liefert. Dadurch lässt sich die Anlage wesentlich effizienter betreiben. Heute beträgt die Einspeiseleistung im Volllastbetrieb, besonders in den Wintermonaten von Januar bis März, sechs Kilowatt und im Teil- und Schwachlastbereich während des restlichen Jahres rund zwei Kilowatt.
Die Entscheidung für die neueste Umrichtertechnologie fiel nach einem intensiven Auswahlprozess. Dabei erwies sich der Frequenzumrichter FR-A741 für den kontinuierlichen Einspeisebetrieb laut Anlagenbauer als besonders geeignet, weil die Turbine vor allem im unteren Drittel ihres Leistungsbereichs betrieben wird und hier die Regelungstechnik des Geräts den vergleichsweise schlechten Wirkungsgrad am besten kompensiert. Versuche mit anderen Produkten zeigten, dass diese nur kurzzeitig Bremsmoment zurückspeisen können, also nicht für die Anforderungen der regenerativen Energieerzeugung ausgelegt sind.
Komponenten im kompakten Gehäuse
Der Frequenzumrichter, der auch für Hub- und Förderaufgaben mit zyklischen Beschleunigungs- und Verzögerungsprozessen entwickelt ist, vereint zudem Antriebstechnik und Rückspeiseeinheit in einem kompakten Gehäuse. Zusätzliche Komponenten sind nicht erforderlich. Die im regenerativen Betrieb anfallende Bremsenergie des Motors wird verlustarm in das Stromnetz zurückgespeist. Dabei wird erheblich weniger Wärme erzeugt als beim Einsatz eines Bremswiderstands. Neben den Energiekosten sinkt auch der Platzbedarf, da keine zusätzlichen Kühlaggregate erforderlich sind. Durch die integrierte Netzdrossel und den Wegfall einer externen Bremseinheit redu-zieren sich der Verdrahtungsaufwand um bis zu 60 Prozent und der Platzbedarf für die Installation im Schaltschrank je nach Leistungsklasse um bis zu 40 Prozent.
Die Geräte sind im Leistungsbereich von 5,5 bis 55 Kilowatt verfügbar und für den dreiphasigen Betrieb mit Eingangsspannungen von 323 bis 528 Volt bei 50 beziehungsweise 60 Hertz ausgelegt. Technologische Basis der Serie ist die für anspruchsvolle Antriebsaufgaben im Maschinen- und Anlagenbau entwickelte Baureihe FR-A740, die zum Beispiel mit einer Speicherprogrammierbaren Steuerung und fortschrittlichen Funktionen für die Drehzahl-, Drehmoment- und Positionierregelung ausgestattet ist. Der Frequenzumrichter verfügt somit über Leistungsmerkmale wie Standzeitüberwachung, Netzwerkfähigkeit, langlebige Komponenten sowie einfache Bedienung und Wartung. Die volle Leistung steht ohne Einschränkung bis zu einer Taktfrequenz von 14,5 Kilohertz zur Verfügung.
Der Vierquadrantenzähler informiert über die eingespeiste Energie.
Dank der modernen Automatisierungstechnik ist der Betrieb der alten Wasserturbine heute wieder wirtschaftlich. Das Kleinwasserkraftwerk erzeugt jährlich bis zu 18.000 Kilowattstunden umweltfreundlichen Strom. Etwa ein Drittel der elektrischen Energie nutzt die Familie im eigenen Haushalt, der größere Teil fließt in das öffentliche Stromnetz. Rund 60 Prozent dieser Jahresrückspeiseleistung erwirtschaftet die Anlage in den Wintermonaten. Ein Vierquadrantenzähler zur Überlasteinspeisung zählt die ins Versorgungsnetz eingespeiste Energiemenge.
Autor: Daniel Lehmann, Marketing Operations Divison, Factory Automation, Mitsubishi Electric Europe