Und welche Anwendungen können damit versorgt werden?

Wir bei Freqcon konzipieren und bauen zwei unterschiedliche Ultrakondensatorsysteme. Ultrakondensatoren, auch Superkondensatoren genannt, sind ein elektrochemischer Doppelschichtkondensator, der als reaktionsschneller Energiespeicher genutzt werden kann.

Mit der steigenden Integration von erneuerbaren Energiequellen wie Solar- und Windenergie in das Stromnetz wird die Stromerzeugung immer dezentraler und verteilter. Dieser Wandel bringt neue Herausforderungen mit sich, insbesondere unvorhersehbare Schwankungen in der Netzstabilität aufgrund der intermittierenden Natur der erneuerbaren Energien. Infolgedessen steigt die Nachfrage nach fortschrittlichen Netzdiensten, einschließlich Primärregelleistung und Sekundärregelleistung, um die Stabilität und die Zuverlässigkeit des Netzes zu erhalten.

Darüber hinaus kann die Zunahme der dezentralen Energieerzeugung, insbesondere in entfernten Gebieten, zu schwachen Netzen führen. Diese Netze sind anfälliger für Qualitätsprobleme wie Spannungseinbrüche und Mikrounterbrechungen, die die Stabilität und Leistung des gesamten Stromnetzes beeinträchtigen können. Die Gewährleistung eines robusten und zuverlässigen Netzes in dieser sich entwickelnden Energielandschaft erfordert erhebliche Investitionen in Netzdienste und Infrastruktur, um diese Komplexität effektiv zu bewältigen.

Da die Nachfrage nach Netzdienstleistungen (wie Primärregelleistung und Sekundärregelleistung) steigt, werden immer mehr Batteriespeichersysteme installiert. Die Bereitstellung von Strom für diese Netzdienste ist eine wichtige Umsatzmöglichkeit. Herkömmliche Stromerzeugungsanlagen wie Wasserturbinen oder Gasturbinen können aufgrund ihrer langsamen Reaktionszeit nicht effizient am Markt für Netzdienstleistungen teilnehmen.

Große Maschinen wie Wasserturbinen benötigen Zeit, um sich zu beschleunigen (oder zu verlangsamen), um die Leistung für Primärregelleistung oder Sekundärregelleistung bereitzustellen. Wenn dieser Prozess zu schnell abläuft, wird die Turbine mechanisch und physisch beschädigt, was die Gesamtlebensdauer verkürzt und gleichzeitig werden die Wartungskosten erhöht.

Daher ist eine Lösung erforderlich, die die erforderliche Leistung für die Netzdienste sofort bereitstellen kann, während die größeren Stromerzeugungseinheiten ihre Leistung entsprechend erhöhen (oder verringern).

Lithium-Ionen-Batteriespeichersysteme sind für diese Anwendung extrem überdimensioniert, da die C-Raten der Batterien begrenzt sind. (Die C-Rate bezeichnet den auf die Nennkapazität des Akkus in Amperestunden (Ah) bezogenen Lade- oder Entladestrom.) Außerdem sind die Lithium-Ionen-Batterielösungen in der Regel auf nur 2 Zyklen pro Tag beschränkt und weisen eine erhebliche Degradation auf.

Freqcon hat eine auf Ultrakondensatoren basierende Lösung entwickelt, die sich perfekt für dieses Szenario eignet. Ultrakondensatoren weisen nur eine geringe oder gar keine Degradation auf und können während einer Lebensdauer von 10 bis 20 Jahren über eine Million Mal entladen werden.

Ultrakondensatoren benutzen wir vorrangig für Systeme, wenn wir sehr, sehr hohe Leistungen für sehr kurze Zeit bereitstellen müssen. Die Ultrakondensatoren sind stromfest, zyklenfest, sind in der Geschwindigkeit hoch, können sofort auf die Anforderungen reagieren, die wir stellen und sind insgesamt sehr platzsparend, sehr wartungsarm und garantieren so eine lange Lebensdauer

Der auf Ultrakondensatoren basierende Energiespeicher ist so dimensioniert, dass er Leistung für bis zu 60 Sekunden bereitstellt, was ausreicht, damit die konventionelle Stromerzeugungseinheit aufholen kann. In dieser Kombination können konventionelle Kraftwerke wie z.B. Wasserkraftwerke ohne große Investitionen am Markt für Netzdienstleistungen teilnehmen.

Die Stromerzeugung aus Wasserkraft ist nach wie vor eine der stabilsten und wichtigsten Stromerzeugungsarten in Europa, insbesondere in Norwegen, Schweden und Finnland. Wasserkraftwerke erzeugen Strom in Gigawatt und können aufgrund der physikalischen und mechanischen Beschränkungen der großen Turbinen leider nicht am Markt für Netzdienstleistungen teilnehmen. Gleiches gilt auch für Flusswasserkraftwerke, die bei 10 bis 100 Megawatt liegen. Das Ergebnis ist, dass zumindest mehrere 100 MW nicht zur Stabilisierung des Stromnetzes genutzt werden können und daher andere Lösungen wie Lithium-Ionen-Batteriespeicher eingesetzt werden müssen.

In Kombination mit dem UGS von Freqcon können die konventionellen Kraftwerke mit ihren typischerweise langsamen Reaktionszeiten jedoch sofort zu den Netzdienstleistungen und der Netzstabilität beitragen. Die Containerlösung von Freqcon kann innerhalb von 150 ms eine Leistung von 1 MW bis >100 MW bereitstellen. Diese schnelle Leistungsbereitstellung qualifiziert die hybride Stromerzeugungseinheit (Freqcon UGS + Wasserturbinen) für die Teilnahme an den Netzdiensten.

Der UGS liefert bis zu 60 Sekunden lang Strom, während sich die Wasserturbine darauf einstellt, den Strom für die restliche Zeit (15 bis 30 Minuten) zu übernehmen. Dieser Prozess kann an einem einzigen Tag viele Male stattfinden, da die Ultrakondensatoren > 1 Million Zyklen durchlaufen.

UPM Energy ist der zweitgrößte Stromproduzent in Finnland. Freqcon erhielt 2021 den Auftrag, für die Wasserkraftwerke in Katerma und Kallioinen am Fluss Ontojoki ein auf Ultrakondensatoren basierendes Netzstabilisator-System zu konstruieren und vor Ort zu installieren. Die 3-MW-Anlage besteht aus einem Multi-Source-Umrichter und 504 Ultracap-Modulen, die in zwei 40-Fuß-Containern untergebracht sind. Des Weiteren gehörten auch unterstützende Maßnahmen zur Systemintegration in das Kraftwerksnetz zum Auftrag.

In Verbindung mit den Wasserkraftwerken kann der Kurzzeitspeicher innerhalb von Millisekunden auf Störungen reagieren, um für bis zu einer Minute die Stromversorgung zu sichern, bevor die Wasserkraftwerke diese Aufgabe übernehmen. Die Kombination aus Wasserkraftwerk und leistungsfähigem Ultrakondensatorspeicher ist dabei eine wichtige Säule für den Reservemarkt zu werden. Denn der Kurzzeitspeicher ist in der Lage, Laständerungen ohne Kapazitätsverluste schnell und millionenfach durchzuführen.

Durch den Einsatz des UGS können reaktionsträgere Kraftwerke so bereichert werden, dass sich neue Märkte erschließen. In Kombination mit dem UGS von Freqcon können die unterschiedlichsten Kraftwerke sofort zur Netzstabilität beitragen und so Netzdienstleistungen bereitstellen.

Beispiele für diese Netzdienstleistungen sind: FCR-N und FFR, aber auch FCR-D und aFRR

FCR-N steht für „Feedback Control Rule – Net“ und ist ein Modell im Kontext der Regulierung von Strommärkten, speziell im Zusammenhang mit der Netzfrequenz. FCR-N ist ein Mechanismus zur Frequenzregelung in Elektrizitätsnetzen. Dabei steht FCR für „Frequency Containment Reserve“ und N für „Normal“, was darauf hinweist, dass diese Regelung unter normalen Bedingungen (also nicht in Notfallsituationen) angewendet wird.

Die FCR-N dient dazu, die Netzfrequenz stabil zu halten, indem sie schnelle Regelenergie bereitstellt, wenn es zu Abweichungen kommt, z.B. wenn das Verhältnis zwischen Stromerzeugung und -verbrauch aus dem Gleichgewicht gerät. Diese Regelenergie wird von Kraftwerken oder anderen geeigneten Erzeugungseinheiten zur Verfügung gestellt, die schnell ihre Leistung anpassen können, um Schwankungen in der Netzfrequenz zu korrigieren.

Insgesamt ist FCR-N ein wichtiger Bestandteil der Netzstabilität und sorgt dafür, dass die Stromversorgung trotz Schwankungen in Erzeugung und Verbrauch zuverlässig bleibt.

FFR steht für „Fast Frequency Response“ und bezieht sich auf eine spezielle Art der Frequenzregelung in Elektrizitätsnetzen. FFR ist eine sehr schnelle Reaktion auf Frequenzabweichungen, die innerhalb von Sekundenbruchteilen (oft innerhalb von 1-2 Sekunden) aktiviert wird, um die Netzfrequenz zu stabilisieren.

FFR wird notwendig, wenn es zu plötzlichen und großen Ungleichgewichten zwischen Stromerzeugung und -verbrauch kommt, beispielsweise durch den plötzlichen Ausfall eines großen Kraftwerks oder durch eine unerwartet starke Laständerung. In solchen Situationen kann die Netzfrequenz schnell sinken oder steigen, was zu Problemen im Netz führen kann, bis hin zu großflächigen Stromausfällen.

FFR kann durch verschiedene Technologien bereitgestellt werden, darunter:

– Batteriespeichersysteme: Aufgrund ihrer extrem schnellen Reaktionszeiten sind Batteriespeicher besonders gut für FFR geeignet.
– Schnell startende Gasturbinen: Diese können innerhalb von Sekunden hochfahren und Leistung bereitstellen.
– Nachfrageantwort (Demand Response): Hierbei wird der Stromverbrauch bestimmter Verbraucher (z.B. industrielle Anlagen) sehr schnell reduziert, um die Netzfrequenz zu stabilisieren.

Die Einführung von FFR ist besonders in Stromsystemen relevant, die einen hohen Anteil an erneuerbaren Energien aufweisen. Erneuerbare Energien wie Wind- und Solarkraft können weniger vorhersehbare Schwankungen verursachen, was eine schnelle Reaktion zur Frequenzstabilisierung erforderlich macht.

Wir von Freqcon bringen unsere drei Jahrzehnte lange Erfahrung ein, um dem Kunden die höchste Qualität zu liefern. Wir arbeiten mit unseren Kunden vom Beginn des Projekts bis zur Lieferung und der erfolgreichen Inbetriebnahme des Projekts zusammen.

Problemanalyse

Freqcon kann bei der Analyse von Lastprofilen helfen und die beste Lösung für Probleme ermitteln, egal ob es sich um ein Batteriespeichersystem oder ein System auf Basis von Ultrakondensatoren handelt.

Projektdimensionierung

Freqcon kann die Dauer der Energiespeicherung, die erforderliche Leistung des Systems auf der Grundlage Ihres Lastprofils, des Leistungsbedarfs, der möglichen Anwendungen, der Verfügbarkeit des Systems, der jahrelangen Gewährleistung der Funktionalität und mehr dimensionieren!

Projektmanagement

Nach der Bestellung helfen die spezialisierten Projektmanager von Freqcon bei der Zusammenarbeit mit Dritten, der Koordinierung und dem Verkauf des Projektes und sind jederzeit gern hilfsbereit und ansprechbar. Egal ob am Telefon, per Video oder persönlich vor Ort.

Produktherstellung und Integration

Freqcon stellt den Umrichter und die Ultrakondensatormodule selbst her. Zum Lieferumfang der Produkte von Freqcon gehören Container, Verkabelung, Hilfs- und Eigenverbrauchsgeräte einschließlich Versorgung, Mittelspannungstransformatoren und Mittelspannungsschaltanlagen.

Lieferung und Installation vor Ort

Freqcon sorgt auch für den Transport und die Lieferung (optional einschließlich Abladung vor Ort). Der Kunde erhält eine schlüsselfertige Lösung mit minimalem Integrationsaufwand am Ort seiner Wahl. (Machbarkeit vorausgesetzt)

Inbetriebnahme

Die erfahrenen Ingenieure von Freqcon führen auch die Inbetriebnahme des Projekts vor Ort durch, einschließlich der erfolgreichen Integration und Kommunikation mit den Kundengeräten und der sonstigen ansässigen Infrastruktur.

Wartung

Das Freqcon-Serviceteam bietet eine Wartung sowohl vor Ort an, als auch eine Fernwartung, um das System so lange wie möglich optimal betriebsbereit zu halten und so den maximal möglichen Nutzen zu erzielen.

Mit der Integration von Robotern und automatisierten Maschinen verfügen immer mehr Unternehmen über eine immer größere Anzahl sensibler Maschinen. Die Problematik dabei: Die Netzqualität ist manchmal nicht optimal und selbst kleinste Spannungseinbrüche von 5 bis 10% über kürzeste Zeiträume können z.B. eine Fehlausrichtung des Roboterarms verursachen. Ebenso können Datacenters wichtige Daten verlieren und ständig in den USV-Modus wechseln, wenn sie an ein schlechtes Stromnetz angeschlossen sind. Solche Vorfälle können einen massiven finanziellen Schaden hinterlassen.

Wir bei Freqcon haben smarte, platzsparende und effiziente Lösungen entwickelt, die bei Stromausfällen und kurzzeitigen Unterbrechungen helfen, einer Produktion oder einem Betrieb Versorgungssicherheit zu gewährleisten. Um maximal zu unterstützen und vor Ausfällen zu schützen, sodass der Ablauf einer Produktionslinie oder eines Produktionsprozesses nicht gestört wird, benötigt es „nur“ einen unserer Ultrakondensatorsysteme und keinen aufwendigen Firmen- oder Netzausbau.

Stromqualität zu sichern ist doch eigentlich ganz einfach – oder?

Die Stromversorgung für diese intelligenten Maschinen und Prozesse sicher und zuverlässig zu gestalten, hat zwei große Hürden:

• Die Spannungseinbrüche können häufig auftreten, bis zu mehrere 100 Mal pro Tag
• die Notstromversorgung oder USV muss in so kurzer Zeit reagieren, dass die Last nicht von den Netzproblemen betroffen ist.

Außerdem dauern mehr als 90% der Spannungseinbrüche und Situationen mit schlechter Netzqualität nicht länger als 1 Sekunde. In der modernen Automatisierungstechnik sind solche kurzen Spannungseinbrüche oder gar Unterbrechungen, auch im Millisekunden-Bereich, folgenschwer. Die Anlagen reagieren hoch sensibel und können ausfallen, wodurch die ganze Produktion ins Stocken gerät oder gar stillsteht.

„In Deutschland würde ich sagen, es passiert eher so ein, zwei, dreimal im Monat. In nahen angrenzenden Ländern wie vielleicht Tschechien, Italien oder Ungarn, wo die Versorgungsnetze nicht derartig ausgebaut sind, kann es auch mehrfach am Tag passieren.“ – Marcel Biler, Vertriebsingenieur und Experte für Kurzzeitspeicher bei Freqcon.

Herkömmliche Notstromversorgungssysteme sind ineffizient und für diese Anwendung völlig überdimensioniert. Schwungräder und Generatoren müssen ununterbrochen laufen, was zu ständigen Verlusten führt, während Batteriesysteme in der Regel für Anwendungen von 1 Stunde oder sogar länger dimensioniert sind.

Das UUPS-System erkennt den Spannungseinbruch und wenn die Spannung oder die Frequenz unter den Schwellenwert fällt, können wir das Netz mit unseren Freqcon-Disconnectoren abschalten, über unseren Umrichter ein Inselnetz einrichten und die benötigte Energie über den Ultrakondensator-Energiespeicher liefern. Dieser gesamte Vorgang dauert weniger als 20 Millisekunden.

Auf diese Weise können wir für einen kurzen Moment ein Inselnetz aufbauen, die Leistung zur Verfügung stellen und dann, wenn das Netz wieder zurück und stabil ist, auch wieder zurücksynchronisieren und so Produktionslinie oder gar die ganze Firma vor diesem Frequenzeinbruch/Spannungseinbruch schützen.

Aufgrund der Geschwindigkeit der Netztrennung und der sofortigen Leistungsbereitstellung aus Ultrakondensatoren oder Batterien bekommen selbst die empfindlichen Geräte in modernen Maschinen davon nichts mit wodurch eine Unterbrechung der Produktion vermieden werden kann.

Die Ultrakondensatoren können mehr als 50.000 Mal pro Jahr entladen werden, und ihre Kapazität und Funktionalität kann für mehr als 20 Betriebsjahre gewährleistet werden.

Diese kompakte Lösung eignet sich perfekt für empfindliche Maschinen, auch wenn sie an schwache Stromnetze angeschlossen sind.

Das unterstützt auch ein Beispiel eines Kunden in Tschechien, der solche Netzeinbrüche bis zu dreimal am Tag haben kann. Diese gehen dabei über Zeitspannen von einigen 100 Millisekunden bis zu zwei oder drei Sekunden. Aber auch Spannungseinbrüche, bei denen die Spannung unter gewisse Sollwert fällt, bis hin zu kompletten Blackouts über ein paar Minuten passieren immer noch regelmäßig und werden uns mit dem Umstieg auf erneuerbare Energien auch noch lange begleiten.

Je nach Sensibilität der Geräte ist es wichtig, eine Netztrennung innerhalb dieser 20 Millisekunden zu erreichen. Unsere selbst entwickelten und hergestellten Freqcon Fast-Disconnectoren können in einem Zeitfenster reagieren, was auch modernen Automotive-Linien entspricht. Das können wir durch Thyristorschalter leisten, die innerhalb von wenigen Millisekunden den Strom sperren und uns innerhalb weniger weiterer Millisekunden die Netzfreigabe erteilen und wir dann in Echtzeit die Leistung bereitstellen können.

Während beide Systeme den Multi-Source Wechselrichter von Freqcon und den Ultrakondensator-Speicher als Hauptkomponente enthalten, unterscheiden sich die UGS- und UUPS-Lösungen in Bezug auf die Dimensionierung und Anwendung.

Der UGS ist so dimensioniert, dass er bis zu 45 Sekunden lang Strom liefern kann. Die Hauptanwendung des UGS ist die schnelle Reaktion auf den Leistungsbedarf der verschiedenen Netzdienste. In der Zwischenzeit kann die sekundäre Leistungsquelle die Leistung erhöhen (oder verringern), um den benötigten Dienst für eine längere Dauer (15 Minuten, 30 Minuten oder länger) bereitzustellen. In dieser Kombination können die konventionellen langsamen Stromerzeugungseinheiten am Markt für Netzdienstleistungen teilnehmen oder eine sehr schnelle USV-Reaktion bieten, ohne ständig im Hintergrund zu laufen.

UUPS ist in der Regel für eine Strombereitstellung von 1 bis 2 Sekunden dimensioniert. Die Hauptanwendung ist hier die Gewährleistung einer sicheren und zuverlässigen Netzqualität für die sensiblen Maschinen. Da Spannungseinbrüche und schwache Netzprobleme häufig auftreten, muss die UUPS für viele Zyklen pro Tag bereit sein. Darüber hinaus reagiert die UUPS innerhalb von 20 ms (oder in einigen Fällen ohne Verzögerung), um sicherzustellen, dass die sensiblen Maschinen nicht von den Spannungseinbrüchen beeinflusst werden.

Zum Vergleich: Der UGS kann innerhalb von 150 ms reagieren, da die Anforderungen an den Netzdienst nicht so streng sind.

Was beide Systeme gemein haben:

Unsere Systeme sind in schlüsselfertigen Containern geliefert. Das heißt, auch hier entsteht für unsere Kunden eigentlich nur ein geringer Aufwand. Es geht ein Kabel rein, es geht ein Kabel raus. Die Systeme werden schlüsselfertig montiert und entsprechen allen Anforderungen für europäische Netze, die den höchsten Standards in diesem thematischen Zusammenhang mitbringen. Wir erfüllen mit unseren Systemen die erforderlichen Vorschriften der IEC-Norm und erfüllen die Anforderungen des VDE oder auch UL-Standards.