Reduzierung von Leistungsspitzen in einem Gleichspannungsnetz. Technische und betriebswirtschaftliche Lösungsansätze

Inhaltsverzeichnis

1 Aufgabenstellung

2 Verzeichnisse
2.1 Abkürzungsverzeichnis
2.2 Abbildungsverzeichnis
2.3 Tabellenverzeichnis
2.4 Verwendete Formelzeichen

3 Einleitung

4 Das Gleichspannungsnetz der üstra

5 Netznutzungsentgelt

6 Problemaufriss

7 Entstehung von Leistungsspitzen

8 Lösungsansätze zur Kosteneinsparung
8.1 Technische Lösungsansätze
8.1.1 Speicherung von Energie
8.1.2 Versorgung durch eigenes Mittelspannungsnetz
8.1.3 Energieverteilung durch Abschaltung von Streckenabschnitten
8.1.4 Energieverteilung durch Anpassung der Trafostufen
8.1.5 Energieverteilung durch Leistungselektronik
8.2 Betriebswirtschaftliche Lösungsansätze
8.2.1 Verhandlung der Abrechnungsmethode
8.2.2 Verschiebung der Nachfrage durch Preisdifferenzierung

9 Wirtschaftlichkeit

10 Fazit und Ausblick

11 Literatur- und Quellenverzeichnis

12 Anhang

Kurzreferat

In dieser Arbeit wird die Möglichkeit der Kosteneinsparung durch Reduzierung von Leistungsspitzen in einem Gleichspannungsnetz untersucht. Alle Untersuchungen beziehen sich auf ein speziell aufgebautes Gleichspannungsnetz, wie es bei der üstra Hannoversche Verkehrbetriebe AG, vorzufinden ist.

Im Wesentlichen umfasst die Arbeit Untersuchungen zu Leistungsspitzen im Netz und deren Ursachen, sowie technische und betriebswirtschaftliche Lösungskonzepte zur Kosteneinsparung bei auftretenden Leistungsspitzen.

Abstract

Lowering power peaks in dc-power-networks might be an efficient solution to reduce energy costs in companies whose cost structure is heavily depending on those kind of costs. The analysis is related to a special dc-power-network of a public transport company in Hanover, üstra Hannoversche Verkehrsbetriebe AG. In first instance reasons for power-peaks will be analysed, followed by identifying technical solutions and the potential economic impact.

Danksagung

An dieser Stelle möchte ich zunächst Herrn Glesinski und Herrn Ahrndt, von der üstra Hannoversche Verkehrsbetriebe AG, erwähnen. Vielen Dank dafür, dass Sie mir dieses interessante Praktikum ermöglicht haben. Auch für die Unterstützung, und die hilfreichen Diskussionen während der Bearbeitung möchte ich mich bedanken. Ein großes Dankeschön geht an die äußerst engagierte Frau Prof. Dr.-Ing. Hildegard Haupt, die das Praktikum und die Erstellung der Bachelorarbeit betreut hat. Auch Herrn Prof. Dr. rer. oec. Michael Leonhard Bienert möchte ich danken, der sich sofort bereit erklärt hat die Zweitprüfung dieser Arbeit zu übernehmen. Vielen Dank an Frau Haupt und Herrn Bienert für diese angenehme Betreuung.

Vor Allem aber möchte ich meinen Eltern danken, die mir das Studium überhaupt erst möglich gemacht haben. Ohne die moralische und finanzielle Unterstützung hätte ich es wahrscheinlich nicht bis zu dieser Bachelorarbeit geschafft. Vielen Dank dafür!

1. Aufgabenstellung

Die üstra Hannoversche Verkehrbetriebe AG betreibt ein Gleichspannungsnetz zur Versorgung der Stadtbahnen. Der Betrieb der Stadtbahnen verursacht einen zeitweise erhöhten Energiebedarf, der das Netz des Energieversorgers belastet. Da der Energieversorger das Stromnetz entsprechend auslegen muss, werden die auftretenden Leistungsspitzen als Bemessungsgrundlage für die Netznutzungskosten angesetzt.

Die Aufgabe besteht darin, auftretende Leistungsspitzen zu analysieren und eine Einsparung in diesem Bereich zu erzielen.

2 Verzeichnisse

2.1 Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.2 Abbildungsverzeichnis

Abbildung 4.1: Prinzipschaltbild eines 3-Wicklungstransformators.

Abbildung 4.2: Ausgangsspannung eines B6-Brückengleichrichters..

Abbildung 4.3: Ausgangsspannung eines B12-Brückengleichrichters

Abbildung 4.4: Beschaltung des Gleichrichterwerkes Engesohde.

Abbildung 5.1: Verlauf des Netzentgeltes in Abhängigkeit der Benutzungsdauer

Abbildung 7.1: Vergleich des Lastgangs mit Anzahl der eingesetzten Wagen..

Abbildung 8.1: Wochenlastgang des Gleichrichterwerk Ahlem.

Abbildung 8.2: Resultierender Lastgang aller Gleichrichterwerke, März 2008..

Abbildung 8.3: Ablauf zur Abschaltung von Streckenabschnitten.

Abbildung 8.4: Prinzip der Anzapfung...

Abbildung 8.5: Regelkreis im Gleichrichterwerk

Abbildung 8.6: Ersatzschaltbild der Streckenversorgung...

Abbildung 8.8: Regelkreise mit Leitungs- und Wagenwiderständen.

Abbildung 8.9: Blockschaltbild mit allen Funktionsblöcken und Verknüpfungen.

Abbildung 8.10: Spannungsverlauf für Simulation 1..

Abbildung 8.11: Leistungsverlauf für Simulation 1

Abbildung 8.12: Spannungsverlauf für Simulation 2..

Abbildung 8.13: Leistungsverlauf für Simulation 2

Abbildung 8.14: Spannungsverlauf für Simulation 3..

Abbildung 8.15: Leistungsverlauf für Simulation 3

Abbildung 8.16: Theoretischer Leistungsverlauf

2.3 Tabellenverzeichnis

Tabelle 3.1: Anteil der Stromkosten..

Tabelle 4.1: Erläuterung der Transformator-Typenbezeichnung

Tabelle 4.2: Erklärung der Elemente aus Abbildung 4.4

Tabelle 5.1: Preistabelle der Stadtwerke für Netzentgelte

Tabelle 5.2: Rechenbeispiel NNK

Tabelle 7.1: Fahrgaststatistik Straßenbahn

Tabelle 8.1: Beschreibung der Systemblöcke

Tabelle 8.2: Werte der Simulation 1

Tabelle 8.3: Werte der Simulation 2

Tabelle 8.4: Werte der Simulation 3

Tabelle 9.1: Ersparnis Leistungspreis

Tabelle 9.2: Einsparung Arbeitspreis

Tabelle 9.3: Gesamtersparnis Netznutzungskosten

Tabelle 9.4: Investitionskosten

Tabelle 9.5: Liquiditätsrechnung.

2.4 Verwendete Formelzeichen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3 Einleitung

Um als Unternehmen in der heutigen Zeit konkurrenz- und wettbewerbsfähig zu bleiben, muss dafür Sorge getragen werden, das Verhältnis von erbrachter Leistung zur eingebrachten Leistung zu optimieren.

Die erbrachte Leistung, also das Angebot, eines Unternehmens ist in vielen Fällen durch die Nachfrage der Kunden vorgegeben. Ein Unternehmen, das mehr bzw. weniger anbietet als auf dem Markt abgenommen wird, handelt kontraproduktiv, da es seine Leistungen bzw. Produkte nicht vollzählig am Markt platzieren kann.

Um die oben bereits erwähnte Optimierung zu erreichen bleibt häufig nur die Möglichkeit, das geplante Angebot mit einem möglichst geringen Aufwand zu erreichen. Ein wichtiger Ansatzpunkt ist hierbei die Einsparung von Energiekosten, da die Kosten für Energie in den letzten Jahren überproportional gestiegen sind. Während die durchschnittlichen Lebenshaltungskosten in Deutschland seit dem Jahr 2000 um 15% gestiegen sind [1], sind die Kosten für den Bezug von Strom seither im Durchschnitt um 47% gestiegen [2].

Gegenstand der vorliegenden Ausarbeitung ist eine Untersuchung von Möglichkeiten zur Reduzierung der Netznutzungskosten, die der üstra, bedingt durch den Fahrbetrieb, entstehen. Auf die Netznutzung und die daraus entstehenden Kosten wird später näher eingegangen.

Die üstra betreibt das Netz für den öffentlichen Personennahverkehr in der Region

Hannover und beförderte im Jahr 2008 insgesamt 157,1 Millionen Fahrgäste[3]. Rund 125 Millionen Kunden[4]nutzten die Stadtbahnen.

Das Unternehmen setzt derzeit 135 Omnibusse [5] und 291 Stadtbahnwagen [6] ein. Die Streckenlänge des Stadtbahnnetzes beträgt insgesamt 119,7 km [7]. Die Stadtbahnen sind strombetrieben, wodurch der Betrieb eines eigenen Stromnetzes zur Fahrstromversorgung notwendig wird. Das vorhandene Netz ist mit 49 Gleichrichterwerken (GLW) versehen, die die Stromversorgung der jeweiligen Streckenabschnitte gewährleisten. Bis auf wenige Ausnahmen werden die Streckenabschnitte beidseitig gespeist. Energieversorger für den Großteil der Gleichrichterwerke sind die Stadtwerke. Daher beziehen sich alle folgenden Ausführungen nur auf diesen Anbieter.

Die hohe Anzahl der eingesetzten Stadtbahnen lässt den enormen Strombedarf des

Unternehmens erahnen. In Zahlen gesprochen lag der Energiebedarf im Jahr 2008 bei 91,4 GWh [8], womit sich über 20.000 Einfamilienhäuser versorgen lassen [9]. Der Anteil der Stromkosten an den Gesamtaufwendungen betrug im Einzelnen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 3.1: Anteil der Stromkosten[10]

Die aufgezeigten Zahlen machen deutlich, dass der Anteil der Stromkosten stetig wächst. Eine Untersuchung, ob an dieser Stelle Kosten einzusparen sind, ist sinnvoll. Der Betrieb der Stadtbahnen, der im Wesentlichen durch die Nachfrage bestimmt wird, soll möglichst nicht eingeschränkt werden. Eine durchführbare Maßnahme muss die Kosteneinsparung also auf anderem Wege erzielen.

In der vorliegenden Ausarbeitung werden verschiedene Techniken zur Reduzierung von Leistungsspitzen untersucht. Durch eine Verteilung der Energie zu den richtigen Zeiten lassen sich die Leistungsspitzen glätten.

4 Das Gleichspannungsnetz der üstra

Zur Versorgung der Straßenbahnen betreibt die üstra ein eigenes Gleichspannungsnetz. Die Versorgung des Gleichspannungsnetzes wird durch 49 GLW realisiert, die über das gesamte Streckennetz verteilt sind. Jedes GLW ist an das Mittelspannungsnetz angeschlossen, das die Transformatoren der üstra versorgt. Auf der Sekundärseite der Transformatoren befinden sich, bis auf wenige Ausnahmen, pro Phase zwei Wicklungen.

Abbildung 4.1: Prinzipschaltbild eines 3-Wicklungstransformators

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4.1 zeigt das Schaltbild eines Transformators vom Typ Dd0y11. Die einzelnen Parameter der Typenbezeichnung sind in Tabelle 4.1 erklärt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 4.1: Erläuterung der Transformator-Typenbezeichnung

Auf der Primärseite des Transformators aus Abbildung 4.1 sind die Wicklungen als Dreieck angeordnet. Es sind zwei unabhängige Sekundärseiten vorhanden, deren Wicklungen einmal als Stern und einmal als Dreieck angeordnet sind. Die Phasenverschiebung wird in 30° Schritten beschrieben. Die Sternanordnung weist also eine Phasenverschiebung von 330° (11 x 30°) gegenüber der Dreiecksanordnung auf (0 x 30°). Dadurch weisen die Sekundärwicklungen untereinander eine Phasenverschiebung von 330° oder auch -30° auf.

Die Wicklungen jeder Sekundärseite speisen einen ungesteuerten Brückengleichrichter, der die negativen Halbwellen invertiert. Jede Sekundärseite wird mit drei Phasen versorgt, die einen netzseitigen Versatz von 120° aufweisen. Durch die Phasenverschiebung und der Zweiweggleichrichtung, entsteht hinter dem Brückengleichrichter eine pulsierende Gleichspannung mit sechs Pulsen pro Periode (Abbildung 4.2).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4.2: Ausgangsspannung eines B6-Brückengleichrichters

Wie oben bereits beschrieben, besitzt die sternangeordnete Sekundärseite eine

Phasenverschiebung von 330° gegenüber der dreieckangeordneten Sekundärseite. Da eine volle Periode 360° hat, entspricht die Phasenverschiebung also -30°. Die Spannungen hinter den beiden Brückengleichrichtern sehen vom Prinzip her jeweils aus, wie in Bild 4.2 beschrieben, jedoch mit einer Phasenverschiebung von -30° zueinander. Werden nun beide Ausgangsspannungen der Brückengleichrichter parallel auf eine Sammelschiene gelegt, resultiert daraus eine Gleichspannung mit zwölf Pulsen pro Periode. Es ist zu erkennen, dass die Ausgangsspannung glatter verläuft als mit nur sechs Pulsen (Abbildung 4.3).

Abbildung 4.3: Ausgangsspannung eines B12-Brückengleichrichters

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Im Regelfall sind zwei Streckenabschnitte pro GLW angebunden, an Gabelungen teilweise drei oder mehr. Die GLW Altwarmbüchen und Roderbruch befinden sich an den Endpunkten und speisen jeweils nur einen Streckenabschnitt. Im Regelfall versorgt ein GLW also zwei Streckenabschnitte und jeder Streckenabschnitt wird von zwei GLW gespeist.

Abbildung 4.4 zeigt den Aufbau des GLW Engesohde. Das GLW ist mit drei Transformatoren ausgestattet, die an die 10 kV Sammelschiene angebunden sind. Im Leitsystem der üstra werden die Schaltzustände aller Elemente farbig gekennzeichnet. Rot steht für „abgeschaltet“, grün bedeutet „eingeschaltet“. Im Betrieb sind derzeit nur Transformator 1 und 3. Nach der Gleichrichtung speisen alle Stränge auf eine gemeinsame Sammelschiene. Von dieser Sammelschiene erfolgt dann die Versorgung der Streckenabschnitte Engesohde - Aegidientorplatz sowie Engesohde - Döhren. Die Abbildung wurde aus dem Netzmanagementsystem der üstra entnommen. In der Abbildung sind Skalen zu sehen, die Informationen über die aktuellen Ströme und Spannungen liefern. Auf der Sammelschiene der Niederspannungsseite wird die Spannung gemessen, die derzeit 686 V beträgt. Zusätzlich werden die Ströme auf den einzelnen Streckenabschnitten gemessen und angezeigt.

Die einzelnen Elemente der Abbildung 4.4 sind gekennzeichnet und in Tabelle 4.2 beschrieben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 4.2: Erklärung der Elemente aus Abbildung 4.4

Abbildung 4.4: Beschaltung des Gleichrichterwerkes Engesohde

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Nennspannung des Gleichspannungsnetzes im Leerlauf beträgt 680 V. Diese bricht jedoch bei erhöhten Lasten ein. Für den Fall, dass Energie von bremsenden Wagen in das Netz zurückgespeist wird, kann die Versorgungsspannung in Teilen des Netzes auf bis zu 800 V ansteigen. Die eingesetzten Gleichrichter weisen einen Nennstrom von 2,5 kA auf. Jedes GLW ist üblicherweise, aus bereits erwähnten Gründen, mit zwei Gleichrichtern ausgestattet. Somit kann also jedes GLW einen Maximalstrom von 5 kA liefern.

Die Stromaufnahme eines Wagens variiert und hängt ab von der momentanen Belastung. Jeder Wagen begrenzt jedoch die Stromaufnahme automatisch auf 600 A.

5 Netznutzungsentgelt

Die Kosten für Energie setzen sich aus den Kosten für den Energiebedarf und den Gebühren für die Netznutzung zusammen. Das Netznutzungsentgelt wird für die Lieferung der Energie erhoben. Die Energieversorger lassen sich also, neben dem eigentlichen Produkt, der Energie, auch den Transport und die Verteilung bezahlen. Dazu werden die Kosten, die durch den Betrieb des Netzes entstehen, nach §§ 4 - 11 StromNEV berechnet. Es dürfen allerdings nur jene Kosten angesetzt werden, die denen eines effizienten Netzbetreibers entsprechen. Die Kalkulation der Netznutzungsentgelte erfolgt dann nach § 15 StromNEV so, dass die tatsächlichen Erlöse aus Netznutzungsentgelten die Kosten des Netzbetriebes gerade decken. Seit dem 1. Januar 2009 findet die ARegV Verwendung. Die Verordnung dient zur Regulierung der Netzentgelte. Dabei müssen sich die Energieversorger einem Effizienzvergleich nach §§ 12 - 15 ARegV stellen, der von der Bundesnetzagentur überwacht wird. Die Bundesnetzagentur legt eine individuelle Erlösobergrenze nach § 21a EnWG und § 4 AregV fest. Diese Erlösobergrenze beschreibt den für den Energieversorger zulässigen Erlös aus Netzentgelten. Differenzen, zwischen der festgelegten Erlösobergrenze und den tatsächlichen Erlösen aus Netzentgelten, werden auf einem Regulierungskonto nach § 5 ARegV verbucht. Übersteigen die Erlöse die Erlösobergrenze um mehr als 5%, so ist der Energieversorger verpflichtet eine Anpassung der Netznutzungsentgelte vorzunehmen.

Die Berechnungsformel der Erlösobergrenze ist in Anlage 1 zu § 7 ARegV zu finden.

In normalen Haushalten wird üblicherweise neben der Grundgebühr lediglich ein Arbeitspreis je abgenommene Kilowattstunde bezahlt. Die Gebühren für die Netznutzung sind in diesen Preisen bereits enthalten. Ab einem Energieverbrauch von 100.000 kWh pro Jahr wird nach Anlage 1 des „Netznutzungsvertrag Strom“ der Stadtwerke eine Lastgangmessung durchgeführt. Das zu entrichtende Entgelt wird dann gesondert nach Energieverbrauch und Netznutzung berechnet.

Das Netzentgelt richtet sich nach der Entnahmestelle der Netzebene sowie der Benutzungsdauer, und errechnet sich aus dem Leistungspreis und dem Arbeitspreis.

Die Benutzungsdauer ist der Quotient aus der im gesamten Jahr entnommenen Energie und der Jahreshöchstleistung.

Tabelle 5.1 zeigt die Preistabelle der Stadtwerke mit Stand vom 01.03.2009. Alle GLW der üstra sind direkt, ohne Umspannung, an das Mittelspannungsnetz angeschlossen. Es gilt die entsprechende Zeile.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 5.1: Preistabelle der Stadtwerke für Netzentgelte

Abbildung 5.1 zeigt den Verlauf des Netzentgeltes in Abhängigkeit von der

Benutzungsdauer. Für eine Benutzungsdauer unter 2.500 Stunden gilt der schwarze Graph, für eine Benutzungsdauer über 2.500 Stunden gilt der rote Graph. Eine Benutzungsdauer von 8.760 Stunden entspricht dabei einem konstanten Energiebedarf über das ganze Jahr. Der rot eingezeichnete Verlauf weist eine geringere Steigung auf als der schwarze Graph. Eine höhere Benutzungsdauer wirkt sich somit positiv auf die Kosten aus. Es fällt zwar ein höherer Leistungspreis an, durch den geringeren Arbeitspreis wird das Verhältnis von abgenommener Energie zu den Kosten aber günstiger.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5.1: Verlauf des Netzentgeltes in Abhängigkeit der Benutzungsdauer

Tabelle 5.2 zeigt ein Rechenbeispiel zur Veranschaulichung. Zur Vereinfachung wird bei beiden GLW eine konstante Leistungsabnahme von 100 kW angenommen. GLW 1 nimmt die Leistung über das ganze Jahr auf, GLW 2 nimmt die Leistung für 2000 Stunden im Jahr auf. GLW 2 verursacht geringere Netznutzungskosten. Setzt man die Kosten ins Verhältnis zur abgenommenen Energie, ist GLW 1 jedoch günstiger.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 5.2: Rechenbeispiel NNK

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