Was ist die Auswahlgrundlage für Schaltanlagen bei Projekten im Bereich erneuerbarer Energien?

Anforderungen an Spannung, Last und Kurzschlussverhalten für Schaltanlagen in der Erneuerbaren-Energien-Branche

Abstimmung der Mittel- und Hochspannungsklassen mit den Netzanschlusspunkten und der Projektskala

Die Wahl zwischen Mittelspannung (MV: etwa 1 kV bis 52 kV) und Hochspannung (HV: alles über 52 kV) hängt tatsächlich davon ab, was das Netz benötigt und wie groß das Projekt ist. Große Solaranlagen werden üblicherweise bei etwa 34,5 kV angeschlossen, während kleinere Windenergieprojekte in Gemeinden meist problemlos mit Spannungen zwischen 12 und 15 kV arbeiten. Eine falsche Wahl kann zu Problemen wie Isolationsausfällen oder ungenutzter Geräteleistung führen. Beispielsweise benötigt eine große 100-MW-Solarfarm, die an die zentralen Übertragungsleitungen angeschlossen wird, Hochspannungs-Schaltanlagen mit einer Nennspannung von mindestens 36 kV. Umgekehrt funktionieren kleine Dach-Solaranlagen hervorragend mit Mittelspannungs-Ausrüstung bis zu 15 kV. Die meisten Ingenieure orientieren sich bei der Klärung solcher Kompatibilitätsfragen in unterschiedlichen Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energien am IEEE-Standard C37.20.2.

Auslegung der Stromstärken und der Kurzschlussfestigkeit für intermittierende, unsymmetrische Erzeugung

Erneuerbare Erzeugung führt zu variablen Lastprofilen und asymmetrischen Kurzschlussströmen und erfordert daher strenge Absenkung (Derating) sowie eine robuste Kurzschlussfestigkeit. Die Schaltanlagen müssen folgende Anforderungen erfüllen:

• Stromkontinuität : 125 % der maximalen Wechselrichterausgangsleistung bei Solaranlagen; 130 % der maximalen Turbinenleistung bei Windanlagen
• Kurzschlussfestigkeit : Mindestens 40 kA für 3 Sekunden, um Überspannungsereignisse während Netzstörungen zu bewältigen

Netzcodes verstärken diese Anforderungen: IEEE 1547 verlangt eine transiente Überlastkapazität von 150 % für PV-Anlagen, während Windanwendungen eine zyklische Lastfestigkeit von 200 % benötigen, um Trägheits- und böenbedingte Drehmomentvariationen der Turbine zu kompensieren.

Anwendungsoptimierte Schaltanlagetypen für die Integration von Solar-, Wind- und Speicheranlagen

Metallgekapselte, gasisolierte (GIS) und SF6-freie Mittelspannungsschaltanlagen für Photovoltaik-Farmen und Wind-Unterstationen

Groß angelegte Projekte im Bereich erneuerbarer Energien benötigen Mittelspannungs-Schaltanlagen, die sich einfach warten lassen, weniger Platz beanspruchen und auch unter unterschiedlichen Umgebungsbedingungen sicher betrieben werden können. Die meisten Solarparks entscheiden sich für metallgekapselte Ausführungen, da diese modular aufgebaut sind. Die herausnehmbaren Leistungsschalter ermöglichen es Technikern, Reparaturen vorzunehmen, ohne die gesamte Umspannstation abzuschalten – was Zeit und Kosten spart. Für Offshore-Windanlagen oder Standorte mit besonders beengten Platzverhältnissen stellt die gasisolierte Schaltanlage (GIS) die bevorzugte Lösung dar. Diese Systeme reduzieren den erforderlichen Installationsraum im Vergleich zu konventionellen Lösungen um rund zwei Drittel und weisen zudem eine natürliche Korrosionsbeständigkeit gegenüber Salzwassereinwirkung auf. Da weltweit die Vorschriften zu Emissionen immer strenger werden, gewinnen SF6-freie Alternativen zunehmend an Bedeutung. Unternehmen setzen stattdessen zunehmend auf Vakuum-Löschtechnologie in Kombination mit festen Isolierstoffen statt der herkömmlichen SF6-Technologie. Die neu entwickelten Schaltanlagen leisten genauso zuverlässig wie ihre Vorgänger, beseitigen jedoch sämtliche Bedenken hinsichtlich des Ausstoßes von Treibhausgasen, die die Branche früher belastet haben.

DC- und Hybrid-Wechselstrom/Gleichstrom-Schaltanlagen für Batteriespeicher- und Mikronetz-Anwendungen

Batterie-Energiespeichersysteme (kurz: BESS) benötigen speziell konstruierte Gleichstrom-Schaltanlagen, da sie mit einigen ziemlich einzigartigen Herausforderungen konfrontiert sind. Im Gegensatz zu Wechselstromsystemen gibt es keinen natürlichen Zeitpunkt, an dem der Strom auf null absinkt; hinzu kommen schnelle Entladespitzen, die Geräte beschädigen können. Daher umfassen moderne Schaltanlagen Komponenten wie magnetische Löschspulen und robustere Lichtbogenkammern, die Gleichstrom-Fehler nahezu augenblicklich unterbrechen – in der Regel innerhalb weniger Millisekunden. Bei hybriden Wechselstrom-/Gleichstrom-Schaltanlagenlösungen zeichnet sie vor allem ihre Fähigkeit aus, sämtliche Komponenten zu schützen und gleichzeitig zwischen verschiedenen Energiequellen in einer Mikronetz-Anlage umzuschalten. Stellen Sie sich ein System vor, das Solarmodule, Batterien und herkömmliche Notstromaggregate kombiniert – diese Art von Schaltanlagen bewältigt alle Aufgaben reibungslos. Eine native Gleichstrom-Kopplung reduziert tatsächlich die Verluste bei der Umwandlung und ermöglicht es dem System, unabhängig vom Hauptstromnetz zu arbeiten, falls dieses ausfällt. Diese Funktionalität ist nicht nur eine gute Praxis, sondern wird zunehmend zwingend erforderlich, um Vorschriften wie die UL-1741-SA- und IEEE-1547-2018-Normen einzuhalten, die immer wichtiger werden, je mehr Anlagen auf Energieunabhängigkeit abzielen.

Umweltbeständigkeit und fernbetriebsbereites Design für erneuerbare Standorte

Korrosionsbeständigkeit, IP65+-Gehäuse und adaptive thermische Steuerung unter rauen klimatischen Bedingungen

Schaltanlagen an Standorten für erneuerbare Energien sind erheblichen Herausforderungen durch raue Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Windparks an Küstenregionen leiden unter Korrosion durch Salznebel, während Solaranlagen in Wüsten mit Sandabrasion und Luftfeuchtigkeitswerten von über 90 % kämpfen müssen. Laut einer Studie der AMPP aus dem Jahr 2023 ist etwa ein Viertel aller elektrischen Ausfälle auf Korrosion in diesen anspruchsvollen Umgebungen zurückzuführen. Zur Bekämpfung dieses Problems verhindern dreifach versiegelte Gehäuse mit Schutzart IP66 das Eindringen von Staub und Wasser während extremer Wetterereignisse wie Monsunen oder Sandstürmen. Für noch anspruchsvollere Einsatzbedingungen setzen Hersteller auf Edelstahl 316L oder Nickellegierungen, die gemäß der Norm ISO 12944 C5-M für Bereiche mit aggressiven Chemikalien oder mariner Belastung zertifiziert sind. Auch thermische Managementsysteme spielen hier eine zentrale Rolle: Sie nutzen PTC-Heizungen und drehzahlgeregelte Lüfter, um den störungsfreien Betrieb der Geräte über extreme Temperaturbereiche von minus 40 Grad Celsius bis plus 55 Grad Celsius sicherzustellen. Diese Systeme tragen dazu bei, gefährliche Lichtbögen infolge von Kondensation bei starken nächtlichen Temperaturschwankungen zu vermeiden – ein Phänomen, das in der Norm IEC TR 63397:2022 getestet und dokumentiert wurde.

Digitale Bereitschaft: Intelligente Schaltanlagen für Überwachung, Automatisierung und Netzkonformität

IEC 61850-Integration, SCADA-Protokolle (Modbus/DNP3) und diagnostische Funktionen auf Edge-Ebene

Schaltanlagen spielen eine entscheidende Rolle in modernen erneuerbaren Energiesystemen und sind weit mehr als nur ein einfacher Trennpunkt. Wenn Geräte die native IEC-61850-Norm unterstützen, können Schutzrelais, Sensoren und Steuerungen verschiedener Hersteller nahtlos miteinander kommunizieren. Dadurch wird die Inbetriebnahme vereinfacht und die Überprüfung der Netzanschlussbedingungen beschleunigt. Die meisten Systeme verbinden sich heute zudem über Protokolle wie Modbus TCP und DNP3 mit SCADA-Plattformen. Diese Verbindungen ermöglichen es Betreibern, alle Anlagen fernüberwacht und -gesteuert zu betreiben, während die Daten im gesamten Netzwerk sicher bleiben. Die intelligenten Prozessoren, die direkt in diese Geräte integriert sind, können vor Ort Stromstärken, Spannungswerte, Temperaturänderungen und sogar Teilentladungen überwachen. Sie erkennen Störungen innerhalb von weniger als 20 Millisekunden – ein entscheidender Vorteil bei der schnellen Reaktion auf Inselbetriebsereignisse. Fortschrittliche Predictive-Maintenance-Tools analysieren die langfristige Leistungsentwicklung einzelner Komponenten, um vorherzusagen, wann Ausfälle eintreten könnten. Laut „Energy Grid Insights“ aus dem Jahr 2023 reduziert dieser Ansatz unerwartete Ausfallzeiten nahezu um die Hälfte. Darüber hinaus sorgt adaptive Schutzlogik für Stabilität, indem sie Einstellungen automatisch anpasst, sobald sich die Einspeisung aus erneuerbaren Quellen ändert. Dadurch bleibt die Einhaltung der Anforderungen an die Niederspannungs-Fahrtfähigkeit (Low Voltage Ride Through) und an Oberschwingungsverzerrungsgrenzen ohne manuellen Eingriff gewährleistet.

FAQ

Welche Spannungsniveaus sind für Schaltanlagen im Bereich erneuerbarer Energien typisch?

Mittelspannung (MV) liegt typischerweise im Bereich von 1 kV bis 52 kV und wird üblicherweise bei kleineren Anlagen eingesetzt, während Hochspannung (HV) über 52 kV liegt und in der Regel für Großanlagen erforderlich ist.

Wie unterstützt Schalttechnik Batteriespeichersysteme?

Gleichstrom-Schaltanlagen, die in Batteriespeichersystemen (Battery Energy Storage Systems) eingesetzt werden, bewältigen besondere Herausforderungen wie schnelle Entladespitzen durch Merkmale wie magnetische Löschspulen und Lichtbogenkammern, um Störungen schnell zu beheben.

Welche SF6-freien Alternativen gibt es für Schaltanlagen?

Aktuelle Trends weisen auf die Verwendung von Vakuum-Löschtechnologie mit festen Dielektrika als Isoliermaterialien hin, wodurch das Treibhausgas SF6 entfällt, ohne dass Einbußen bei der Leistungsfähigkeit in Kauf genommen werden müssen.

Wie beeinflussen Umgebungsbedingungen die Schaltanlagen an Standorten für erneuerbare Energien?

Schaltanlagen an erneuerbaren Energieanlagen können Probleme durch Korrosion durch Salznebel, Sandabrasion und extreme Temperaturen erfahren. Lösungen umfassen den Einsatz robuster Gehäuse und adaptiver thermischer Management-Systeme, um die Langlebigkeit sicherzustellen.