Umrichter beziehungsweise Wechselrichter sind heutzutage ein elementarer Bestandteil von regenerativen Energieerzeugungsanlagen sowie Batteriespeichern. Sie sorgen dafür, dass die gewonnene und gespeicherte elektrische Energie in der geforderten Frequenz, Phasenlage und Spannung in ein Stromnetz eingespeist wird. Die ersten Windkraftanlagen mit Frequenzumrichtern auf Thyristorbasis wurden bereits Ende der 1980er Jahre in kleiner Stückzahl und mit geringer Leistung in Betrieb genommen, verschwanden jedoch größtenteils wieder vom Markt. Erst Mitte der 1990er Jahre setzten sich Frequenzumrichter auf IGBT-Basis (Insulated Gate Bipolar Transistor) bei Photovoltaik- und Windenergieanlagen nach und nach durch. Die Funktionsweise hat sich seitdem prinzipiell kaum verändert, auch wenn es mittlerweile eine Vielzahl an technischen Varianten gibt.
Bewährtes Vollumrichterprinzip
Während bei Photovoltaikanlagen und Batteriespeichern für den Netzbetrieb ein Wechselrichter immer erforderlich ist, können Windenergieanlagen prinzipiell auch ohne Wechselrichter betrieben werden. Dieser bringt allerdings deutliche regelungstechnische Vorteile mit sich, die sich insbesondere im Hinblick auf die heute üblichen hohen Anforderungen an Systemdienstleistungen und Netzfunktionen bemerkbar machen. Das sogenannte Vollumrichterprinzip hat sich daher auch bei Windkraftanlagen durchgesetzt.
Die Freqcon GmbH hat bereits in den frühen 1990er Jahren die ersten Vollumrichter für Windenergieanlagen auf dem Markt etabliert. Das umfassende Wissen und die Erfahrungen flossen in die Entwicklung eines Hybridumrichters ein, des Multi-Source Converters (MSC). Dank des Hybridumrichterkonzepts ist es möglich, mehrere Energiequellen wie Windkraft-, Photovoltaikanlagen, Brennstoffzellen, Generatoren sowie Speichersysteme aus Lithium-Ionen-, Bleisäure- oder Redox-Flow-Batterien an einen gemeinsamen Zwischenkreis des MSC anzuschließen. Mit geringem Aufwand können nachträglich weitere Energiequellen eingebunden werden. Aufgrund der Kopplung über den Zwischenkreis werden die Installations- und Investitionskosten reduziert, die Gesamteffizienz des Systems erhöht und eine bessere Systemintegration ermöglicht.
Flexibles Energiemanagementsystem
Freqcon setzt dabei auf ein bewährtes Anlagenkonzept, das die Erzeugungsanlagen oder Batterien effizient vor hochfrequenten Spannungen schützt, damit den Filteraufwand reduziert und die Lebensdauer der Anlagen erhöht. Mit einem zuverlässigen, flexiblen, robusten und vollständig integrierten Energiemanagementsystem kann nahezu jede projektspezifische Energiemanagementstrategie umgesetzt werden.
Beim MSC handelt es sich um einen On-Grid- und Off-Grid-Umrichter, der das Netz durch aktive Frequenz- und Spannungsunterstützung stabilisiert. So werden im On-Grid-Betrieb die Anforderungen gängiger Netzanschlussvorgaben umgesetzt. Im Off-Grid-Betrieb kann bei Bedarf auch Momentanreserve bereitgestellt werden, sodass zum Beispiel eine einfache Kopplung mit Dieselgeneratoren möglich ist.
Mit einer Lebensdauer von 20 Jahren, mit auf das jeweilige Projekt abgestimmten Komponenten und integriert in einen standardisierten 20-, 30- oder 40-Fuß Container ist der Multi-Source Converter eine optimale Lösung für Hybrid- und Microgrid-Anwendungen im Nieder- und Mittelspannungsnetz weltweit. Dabei ist der Leistungsbereich von 150 kW auf zwei MW bis hin zu Multi-Megawatt-Anlagen modular skalierbar.
Ein Umrichter – viele Einsatzmöglichkeiten
Im Forschungsprojekt RedoxWind untersucht das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie (ICT) in Karlsruhe in Zusammenarbeit mit Freqcon seit 2015 die Nutzung von Windstrom in Verbindung mit einer Vanadium-Redox-Flow-Großbatterie mit einer Kapazität von 20 MWh und einem 200-kWh-Lithium-Eisen-Phosphat-Stromspeicher (LiFePO4). Das Projekt zeigt, wie zuverlässig ein Verbund aus einer Zwei-MW-Windenergieanlage und Batteriespeichern in der Lage ist, eine autarke Stromversorgung von Inselnetzen bereitzustellen.
Die gesamte elektrische Ausrüstung mit Betrieb und Steuerung der Windenergieanlage, die Integration des LiFePO4-Speichers und des Vanadium-Redox-Flow-Speichers sowie die Anbindung an das Netz im Inselbetrieb inklusive Schwarzstartfunktion wurde von Freqcon entwickelt, konstruiert, gefertigt, geliefert und in Betrieb genommen. Der obligatorische Multi-Source Umrichter wurde hier als Kernelement und Bindeglied der einzelnen Anlagen so ausgelegt, dass ein effizienter Mischbetrieb als Insel- oder Netzparallelbetrieb möglich ist. So wird die erzeugte Energie direkt in das Netz des Fraunhofer-Instituts eingespeist und versorgt dort die chemischen Anlagen, Labore sowie die über 500 Büroarbeitsplätze. Die Grundlast bewegt sich im Bereich von 400 bis 600 kW mit Spitzen von über einem Megawatt. Überschüssige Windenergie wird in die Redox-Flow-Großbatterie geladen und in Zeiten mit hohem Energieverbrauch abgerufen.
Am Unternehmensstandort in Rethem sorgt ein MSC-Umrichter bald dafür, dass „grüner“ Wasserstoff erzeugt werden kann. Freqcon beteiligt sich an der „Wasserstoffrichtlinie“ des Landes Niedersachsen und initiiert im Energie- und Gewerbepark Rethem (EGRA) ein Pilotprojekt in Kooperation mit dem Wasserstoffnetzwerk Nordostniedersachsen und Deltaland. Noch 2021 soll eine Demonstrationsanlage mit einem Elektrolyseur mit einem MW Spitzenleistung und einer jährlichen Produktion von 60.000 Kilogramm Wasserstoff entstehen. Die Anlage wird ausschließlich mit Strom von regenerativen Energieerzeugern gespeist. Dafür werden auf Freiflächen eine Photovoltaikanlage mit einer Leistung von zwei MW sowie eine Windkraftanlage mit einer Leistung von 750 kW errichtet. Neben diesen Anlagen und dem Elektrolyseur wird ein Batteriespeicher mit einer Kapazität von 500 kWh in den MSC integriert. Auf diese Weise kann der wirtschaftliche Betrieb des Elektrolyseurs mit 5.000 Stunden pro Jahr sichergestellt werden. Außerdem entstehen Ladestationen für Fahrzeuge mit Wasserstoff- oder mit Elektroantrieb. Das System wurde komplett als Inselnetz konzipiert.
FREQCON GmbH
