Ein Projekt in der Umsetzung, Herausforderung für die Messtechnik
Prof. Dr.-Ing. Thomas Leibfried ist der Leiter des Instituts für Elektroenergiesysteme und Hochspannungstechnik am Karlsruher Institut für Technologie. (Quelle: Martin Witzsch)
M. Sc. Daniela Eser betreut als wissenschaftliche Mitarbeiterin die Messtechnik des Projekts. (Quelle: Martin Witzsch)
Janitza-Messgeräte UMG 801 sind mit Modulen erweiterbar. (Quelle: Martin Witzsch)
Netzanalysatoren UMG 512-PRO für Messungen an der Einspeisung. (Quelle: Martin Witzsch)
Das Forschungsprojekt ist noch mitten in der Entstehung, wobei schon von Beginn an Ergebnisse gewonnen werden. Eine Besonderheit dabei ist ein internes Gleichstromnetz, das DC-Microgrid, das nach und nach realisiert wird. Mit ihm wird es möglich sein, PV-Anlagen, Wasserstoffkomponenten und Batteriespeicher ohne den Umweg über AC/DC-Wandler zu verbinden. Die Busspannung ist im Versuchsbetrieb konstant, kann aber später noch flexibel gewählt werden. DC-Lasten werden derzeit noch emuliert. In der späteren Praxis können dies zum Beispiel Server sein.
Die außergewöhnlichen Bedingungen in dem Projekt stellen auch an die Messtechnik außergewöhnliche Anforderungen. D. Eser: „Wir brauchen natürlich Daten für die Auswertung. Wir müssen zum Beispiel den Netzbezug messen, um ihn verbessern zu können. Und wir brauchen sie natürlich auch, um die Modellbildung in der Simulation zu optimieren. Messen wir zum Beispiel den Wechselrichter an einem Batteriespeicher, können wir die Dynamik des Speichers erfassen. Damit können wir das Modell des Speichers verbessern.“
Nachdem die Anforderungen an die Messtechnik definiert waren, machte sich D. Eser sehr systematisch auf die Suche nach der passenden Messtechnik. „Wir haben die Funktionalitäten, die die unterschiedlichen Hersteller boten, genau verglichen. Ein wichtiges Kriterium waren beispielsweise die harmonischen Oberschwingungen. Es war uns wichtig, möglichst detailliert zu messen, wenn wir schon Messtechnik einbauen“, so D. Eser. Die Wahl fiel auf Geräte von Janitza, die einerseits die gewünschten Messungen ermöglichten und sich auch flexibel in die Installation integrieren ließen. Vertriebsmanager Mike Stempniewski von Janitza hat das Projekt begleitet. Er ergänzt: „Frau Eser benötigte eine relativ hohe Auflösung der Messdaten, die zugleich von mehreren Systemen abgerufen werden können, in diesem Fall unsere Gridvis und Grafana.“ D. Eser benötigt beide Systeme. Die plattformübergreifende Open-Source-Anwendung Grafana ist auf die sehr speziellen Anforderungen des Forschungsbetriebs ausgelegt. Allerdings reagiert sie empfindlich auf Netzwerkstörungen und Ausfälle. Deshalb läuft die Gridvis, die Netzvisualisierungssoftware von Janitza, als Backup mit, um eine höchstmögliche Verfügbarkeit der Messdaten sicherzustellen. Der Vorteil der Janitza-Lösung ist, dass die Daten in den internen Speichern der Messgeräte abgelegt und per Gridvis ausgelesen werden können. Je nach Auflösung kann so ein Speicher die Messdaten mehrere Monate vorhalten. So sind diese selbst bei größeren Ausfällen sicher. Ferner erfolgt die Konfiguration der Messgeräte über diese Software.
Die Einspeisungen, d. h. die Transformatoren, erhielten die Klasse-A-Spannungsqualitätsanalysatoren UMG 512-PRO. Für die Abgänge entschied man sich für Geräte vom Typ UMG 801, da diese modular erweiterbar sind. Die Versuchsaufbauten ändern sich ständig und damit auch die Installation in den Unterverteilungen. Mit den Erweiterungsmodulen 800-CT8-A für 1-A- und 5-A-Stromwandler lassen sich die Messgeräte UMG 801 jederzeit flexibel an die neuen Gegebenheiten anpassen. M. Stempniewski resümiert: „Die Kombination aus Modularität, hoher Auflösung, Messung der Spannungsqualität und Energiemonitoring waren ein starkes Argument für uns.“ Insgesamt elf Messgeräte und 17 Erweiterungsmodule sind verbaut. Für spezielle Messungen, wie an einem Wechselrichter oder dem Elektrolyseur der Wasserstoff-Anlage dienen sieben Messgeräte des Typs UMG 605-PRO. Diese Geräte werden auch von einer anderen Forschungsgruppe genutzt, die mit einem emulierten Netz Auswirkungen von Abweichungen der Netzfrequenz untersuchen. Ein mobiler Messkoffer mit einem UMG 512-PRO für fliegende Aufbauten ergänzt die Ausstattung.
Der Anschluss an die Installation erfolgte mit Kabelumbaustromwandlern von Janitza, die sich auch an einem angeschlossenen Leiter montieren lassen. Ohne dieses Zubehör wäre eine Installation in diesen Umfang kaum möglich gewesen. Dazu D. Eser: „Eine Installationsfirma hat das unter Spannung eingebaut. Wir mussten nichts abschalten. An einigen Stromschienen werden wir zukünftig Rogowski-Spulen nutzen.“ Auch sonst verlief der Einbau der Messtechnik problemlos. „Ich war sehr gut aufgehoben. Janitza war immer gut erreichbar und alle Fragen wurden schnell beantwortet“, lobt D. Eser.M. Stempniewski ergänzt: „Die Zusammenarbeit hat sehr viel Spaß gemacht. Die Forscherinnen und Forscher kennen sich hervorragend aus. Frau Eser benötigte gerade mal einen halben Tag Schulung, um unsere Geräte bis ins Detail parametrieren und bedienen zu können.“
Erkenntnisse und Erfolge
Neben dem eigentlichen Zweck, wissenschaftliche Erkenntnisse zu gewinnen, konnte das Forschungsprojekt auch schon zu direkten Energieeinsparungen beitragen. So fiel auf, dass in einigen fensterlosen Kellerräumen gelegentlich vergessen wurde, nach Feierabend das Licht auszuschalten. In einer großen Werkstatt mit einer Leistungsaufnahme von 1,5 kW für die Beleuchtung ergibt dies für ein Wochenende 90 kWh, die eingespart werden können.
Ein gutes Trainingsfeld ist auch die historisch gewachsene Installation, scherzhaft Grey-Box genannt, da sich oft nicht genau feststellen lässt, welche Verbraucher wo angeschlossen sind. Dies ist auch dem Umstand geschuldet, dass ursprünglich nicht zwischen Laboren und Büros unterschieden wurde. Dafür gab es in jedem Raum Säulen mit eigener Leistungsversorgung. Die Bedingungen sind ideal für den Forschungsbereich „Nonintrusive Load Monitoring“ (NILM). Hier wird zwar nur am Anschlusspunkt die Summe aller Lasten gemessen. Wenn man jedoch weiß, welches Verhältnis von Wirk- und Blindleistungen ein Gerät aufweist und wie lange es normalerweise in Betrieb ist, kann man typische Gerätemuster erkennen. Mit diesen Informationen lässt sich das Energiemanagementsystem auch im Detail ohne aufwendige Einzelmessungen verbessern. Schließlich will das KIT auf lange Sicht CO2-neutral werden. Auf Basis der Messdaten könnte man sogar bestimmte Prozesse oder Versuchsaufbauten, die einen zeitlich flexiblen Betrieb erlauben, mit Prognosen zu Überschüssen aus PV- oder Windenergie synchronisieren.
Natürlich werden die Daten auch zur Visualisierung im ganzen Institut genutzt, wie D. Eser erläutert: „Wir haben im Eingangsbereich Bildschirme, auf denen wir die Messergebnisse aus dem Gebäude darstellen. Damit wollen wir die Studierenden für unser Projekt und für eine Abschlussarbeit bei uns begeistern.“ Die Darstellung zeigt Tages- und Wochenverläufe der verschiedenen Lasten, einschließlich Wirk- und Blindleistungen. Dazu noch die THD-U-Werte (Total Harmonic Distortion, hier der Spannung U, deutsch Oberschwingungsgesamtverzerrung), also Abweichung von der Sinusform.
D. Eser: „Wir haben sehr spezielle Verbrauchsgruppen, wie die Labore mit ihren langen Arbeitszeiten, den Kraft-Stromkreis für den Aufzug, den Druckluftkompressor, die Werkstätten sowie die Klimakammer und schließlich den Stromkreis für die Beleuchtung und die Standardbürolasten. Das sind alles sehr charakteristische Lastgänge.“
Die Messergebnisse haben auch einigen Zusatznutzen gebracht. Mit den Messdaten und den analytischen Fähigkeiten der Wissenschaftlerin konnte D. Eser auch im Detail Verbräuche abschätzen, etwa für den Ausdruck einer Seite (12,5 Wh beim ersten Aufheizen des Geräts), eine Fahrt mit dem Aufzug (25 Wh) oder eine Tasse Kaffee (25 Wh). Mit diesen Werten kann sie über den Wissenschaftsbetrieb hinaus auch Laien sehr anschaulich für den eigenen Energieverbrauch sensibilisieren – ein wichtiger Baustein auf dem Weg zur Klimaneutralität.