Energiewirtschaftliches Design von Kraftwerks-Erzeugungssystemen

Energieeffizienz in Kraftwerken: Herausforderungen und Lösungen

Energieeffizienz ist entscheidend, um den Eigenverbrauch in Kraftwerken minimal zu halten. Sie bedeutet die optimale Konfiguration hauseigener Leitsysteme, um nur die notwendige Leistung ohne Verschwendung zu nutzen. Dieser Artikel beleuchtet die Herausforderungen bei der Entwicklung einer Anlage und warum Energieeffizienz keine einfache Aufgabe ist.

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Das Design für Energieeffizienz in Kraftwerken birgt vielfältige Herausforderungen – von technischen bis hin zu nicht-technischen Hindernissen. Die elektrischen Engineering betreffenden Punkte umfassen:

• In der Kraftwerksplanung ist die Elektrotechnik oft der letzte Fachbereich, der nach Mechanik und Leittechnik eingebunden wird.

Dadurch bleibt Elektroingenieuren wenig Zeit für eine integrierte, energieeffiziente Auslegung. Dies wirkt sich negativ auf die Energieeffizienz des gesamten Kraftwerks aus, da die intern über das elektrische System verbrauchte Energie ineffizient genutzt wird.

• Das Energiesystem wird frühzeitig festgelegt.

Dies schränkt die Zeit für konzeptionelle Studien ein, die für den internen Kraftwerksbetrieb wichtig sind. Gerade in der Konzeptphase lassen sich die größten Effizienzpotenziale durch Analyse identifizieren. Zu den relevanten Netzqualitätsstudien für Energieeffizienz zählen:

• Lastanalyse
• Lastfluss- und Spannungsfallanalyse
• Motoranlaufanalyse
• Kurzschlussanalyse

Lastanalyse

Die Lastanalyse ist einer der wichtigsten Schritte zur Steigerung der Energieeffizienz. Das Sammeln von Daten über alle Lasten, denen das Energiesystem begegnet, ist der erste Designschritt. Dies umfasst das Verständnis kritischer Lasten, Einschaltdauern, saisonaler Schwankungen und Anlaufanforderungen. Diese Daten stammen meist von den mechanischen und leittechnischen Teams. Durch die Zersplitterung der Lieferanten ist die Erstellung einer detaillierten Lastenliste nie trivial. Fehlen echte Daten, können ähnliche vergangene Projekte als Orientierung dienen.

Die Lastanalyse sollte mit der Quantifizierung der maximalen Betriebslast basierend auf tatsächlichen Lasten und Belastungsfaktoren beginnen. Überhöhte Herstellerwerte führen zu Überdimensionierung der Versorgung. Auch die Anzahl der Lasten im System muss berücksichtigt werden.

Lastfluss- und Spannungsfallanalyse

Die Systemspannungen in Kraftwerken haben einen direkten Einfluss auf die Energieeffizienz. Die Wahl einer höheren Sammelschienenspannung reduziert ohmsche Verluste durch niedrigere Ströme im Vergleich zu Niederspannungssammelschienen. Die Auswahl von Mittelspannungs- statt Niederspannungsantrieben und -motoren verringert ohmsche Verluste in der Antriebsleistung. Motoren und Transformatoren mit höheren Nennspannungen weisen letztlich höhere Wirkungsgrade auf. Höhere Sammelschienenspannungen erlauben weniger, aber größere Transformatoren und steigern die Gesamtsystemeffizienz.

Anlaufanalyse

Motoren mit Sanftanlassern ziehen während des Anlaufs deutlich mehr als ihren Nennbetriebsstrom. Hohe Anlaufmomente erhöhen die Last auf das Energiesystem, was zu überdimensionierten Komponenten und damit zu höheren Kosten und geringerer kontinuierlicher Betriebseffizienz führt. Das Verständnis der Motoranlaufanforderungen hilft, verbundene Komponenten ohne Überdimensionierung auszulegen – also für die exakten Betriebsbedingungen.

Kurzschlussanalyse

Der Hauptzweck der Kurzschlussanalyse ist die Sicherstellung, dass Leistungsschalter unter Kurzschlussbedingungen nicht überlastet werden. Schalter müssen den normalen Laststrom führen und Fehlerströme unterbrechen können. Sollten sie Ströme oberhalb ihrer Abschaltfähigkeit unterbrechen müssen, drohen schwerwiegende Schäden. Die Einhaltung von Nennstrom und Abschaltvermögen in sinnvollen Bereichen verbessert die vorbeugende Schadensverhütung an Systemkomponenten.

Bedeutung korrekter Auslegung von Betriebsmitteln und Sammelschienen

Eine korrekte Lastverteilung auf die Sammelschienen verbessert die Netzqualität und Energieeffizienz. In Kraftwerken mit mehreren Energiequellen führt eine richtige Balance zur Optimierung der Betriebsmittelgrößen und verringert die Anlaufanforderungen je Sammelschiene.

Eine ordnungsgemäße Analyse liefert optimale Schalter- und Kabeldimensionen. Falsche Dimensionierung wirkt sich auf Energieeffizienz und Schutzfunktionen aus. Zu kleine Kabelquerschnitte verursachen höhere Verluste – ein entscheidender Faktor für die Kabelbemessung.

Richtlinien für Kupfer-Sammelschienen: Die Vergrößerung des Querschnitts reduziert Energieverluste; eine Verdopplung halbiert den Widerstand und damit die Verluste nahezu. Die ersten inkrementellen Vergrößerungen über das Mindestmaß hinaus bewirken den größten Verlustrückgang, wobei der marginale Nutzen mit jeder weiteren Stufe abnimmt. Die Auswahl mehrerer Schienen pro Sammelschiene ist ein weiterer Aspekt für geringere Systemverluste.

Sammelschienen sind langlebige Anlagenteile, weshalb ihre laufenden Energiekosten im Lebenszyklus stärker ins Gewicht fallen. Für die richtige Auswahl sind Spannungsfall, Kurzschlussstrom und Skineffekt im Normalbetrieb zu verstehen.

Design der Kabelverlegung im Kraftwerk

Die physische Anordnung der Energieversorgungskomponenten sowie Kabellängen und -durchmesser sollten für minimale Verluste gewählt werden. Leistungsverluste in Kabeln, Schaltgeräten und anderen stromführenden Einrichtungen (Steuerungen, Schutzeinrichtungen) sind zu minimieren. Designrichtlinien zur Verlustreduzierung:

• Zentrale Platzierung des Lastzentrums für Transformatoren, Schaltgeräte, um:
  • Kabellängen zu verkürzen
  • Verluste und Spannungsfälle zu reduzieren
• Sammelschienen und Abzweige so kurz wie möglich halten, um:
  • Den Abstand zwischen Hilfstransformator und Generator zu minimieren
• Kabeldurchmesser kleinerer Kabel um ein bis maximal zwei AWG-Stufen erhöhen für:
  • Geringere ohmsche Verluste
  • Weniger unterschiedliche Kabelgrößen reduzieren Verschnitt bei der Montage und verbessern Einkaufskonditionen (Mindestbestellmengen).

Die Hauptausrüstung wird oft vor der Verbindungsplanung platziert. Die Wahl des kleinsten zulässigen Kabeldurchmessers zur Senkung der Materialkosten führt zu deutlich höheren Lebenszyklus-Betriebskosten.

Kabelbemessung

Der Querschnitt der Kabel zwischen verbundenen Lasten muss in Abhängigkeit von Betriebsbedingungen und Kabellänge berechnet werden. Einflussfaktoren auf den Kabelquerschnitt:

• Zulässige Belastung im Normalbetrieb unter Berücksichtigung von Umgebungstemperatur und Verlegeart.
• Thermische Kurzschlussfestigkeit.
• Zulässiger Spannungsfall entlang der Kabelstrecke im Normalbetrieb und Anlaufphase.
• Ansprechverhalten der Schutzeinrichtung bei Überlast und kleinstem möglichen Kurzschlussstrom zur Unterbrechung gefährlicher Spannungen.

Kabelroutenplanung

Die Kabelverlegung in komplexen Anlagen, Kraftwerken und Schaltstationen erfordert enormen Planungsaufwand. Es geht darum, Kabel auf dem kürzesten Weg zwischen Start und Ziel zu führen, dabei ungünstige Beeinflussungen (z. B. EMV, Wärme) zu vermeiden.

CAD (Computer Aided Design) wird weit verbreitet für die Entwicklung und Umsetzung von Komponenten- und Kabelverlegelayouts eingesetzt. Kraftwerksanlagen erfordern größte Sorgfalt für einen voll funktionsfähigen und energieeffizienten Energiefluss.

E3.3D Routing Bridge

Die E3.3D Routing Bridge ermöglicht einfache Pfadführung mit vollständiger Integration in mechanische CAD-Software. Die Ermittlung von Drahtlängen, Durchmessern und Normen für die Kabelauswahl zwischen verbundenen Komponenten war nie einfacher.

Für erstklassiges Design hat Zuken Schnittstellen zwischen E3.series und allen großen MCAD-Anbietern (Mechanical CAD) geschaffen, um vollständig integrierte Designmodelle zu ermöglichen. Über die E3.3D Routing Bridge können Schaltplan- und Verbindungsinformationen aus E3.series an alle gängigen MCAD-Systeme übergeben werden. Funktionen umfassen:

• Übertragung von Komponenteninformationen an MCAD (Steckverbinder, Pins, Spleiße)
• Datenaustausch zu und von MCAD
• Kollisions-/Clash-Erkennung im MCAD
• Prüfung des Kabelbiegeradius
• Automatische Berechnung von Draht- und Segmentlängen im MCAD
• Automatische Erstellung von Fertigungsdokumentation in E3.Formboard

E3.Schematic

E3.Schematic dient dem Entwurf und der Dokumentation elektrischer Steuerungssysteme inklusive Schaltplänen, Klemmenplänen und SPS. Es verhindert Fehler bereits während des Designs, sodass Systeme für beste Energieeffizienz entwickelt werden. Die intuitive Drag-and-Drop-Oberfläche spart Zeit bei der Erstellung von Verbindungen und Komponenten, sodass mehr Zeit für Anlagenenergieeffizienz bleibt. Die nahtlose Integration über mehrere Plattformen ermöglicht die Zusammenarbeit zwischen mechanischem und elektrischem Design – ein entscheidender Vorteil, wenn Mechanik und Leittechnik vor der Elektroplanung fertiggestellt sind. E3.Schematic bietet:

• Effiziente Erstellung und Dokumentation elektrischer Schaltpläne
• Fehlerverhütung durch integrierte Designregeln
• Zugriff auf umfangreiche Bibliothek vordefinierter, geprüfter Komponenten
• Drag-and-Drop-Design
• Einfaches Verbinden elektrischer Komponenten
• Automatische Leitungsnummernvergabe
• Vordefinierte Teilschaltungen (Sub-Circuits)
• Intelligente Klemmenverwaltung über mehrere Blätter
• Projektdokumentation in einfachen Schritten

Wie könnte Ihre Anlage energieeffizienter werden? Kommentieren Sie, was Sie verbessern möchten.

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