Stromerzeugungsaggregat

Ein Stromerzeugungsaggregat (Notstromaggregat) ist eine Einrichtung, die aus vorhandenen Ressourcen elektrischen Strom erzeugt, um insbesondere von Stromnetzen unabhängig zu sein. Ein Antriebsaggregat, meistens eine Verbrennungskraftmaschine (z. B. Diesel- oder Benzinmotor) und ein Generator zur Stromerzeugung bilden hierbei eine Einheit.

In Sonderfällen werden Notstromaggregate auch elektrisch angetrieben, z. B. um Bahnstrom mit nicht passender Frequenz in geeigneten Notstrom umzuwandeln.

Solche mobilen oder stationären Geräte können überall dort Anwendung finden, wo ein öffentliches Stromnetz fehlt („Stromgenerator“) oder der Ausfall des Stromnetzes (deutsch Schwarzfall, engl. Blackout) gravierende Folgen nach sich ziehen würde – wie z. B. in Krankenhäusern, chemischen Anlagen, Serverräumen und nicht zuletzt in Kernkraftwerken, um auch im Falle von Abschaltung oder Ausfall des Stromnetzes die Abfuhr der Nachzerfallswärme zu gewährleisten.

Schallgedämpftes Dieselaggregat mit 375 kVA und darunter liegendem Tank

Allgemeines

Historisches Aggregat für den Funkbetrieb, etwa 1945

Stromerzeugungsaggregate gewährleisten die Verfügbarkeit von elektrischer Energie unabhängig vom öffentlichen Stromnetz und werden oft auch als „Notstromgenerator“ bzw. -aggregat, leistungsfähigere Einrichtungen als Netzersatzanlagen (NEA) bezeichnet.

Größe und Leistungen solcher Notstromaggregate differieren erheblich. Es beginnt mit tragbaren Kleingeräten, die ausreichen, um Kleinverbraucher (Kühlschrank/Gefriertruhe/PC) oder eine Notlichtanlage zu versorgen, und geht über mobile NEA des THWs auf Lkw-Anhängern bis hin zu großen, fest installierten Einheiten mit mehreren tausend kVA.

Im Normalfall können NEA die Versorgung einer ihrer Leistungsfähigkeit entsprechenden Anzahl von Stromverbrauchern dauerhaft aufrechterhalten, speisen aber den Strom nicht in das öffentliche Netz ein (diese Betriebsart nennt man Inselbetrieb). Ist dies doch der Fall, muss sichergestellt sein, dass dabei keine unsynchronisierte Rückspeisung erfolgt.

Ist das Aggregat mit einer entsprechenden Steuerung ausgestattet, kann nach Beendigung des Stromausfalles, der so genannten Netzrückkehr, auf das öffentliche Netz wieder aufsynchronisiert und das Aggregat abgeschaltet werden, wodurch eine Unterbrechung bei der Rückschaltung vermieden wird.

Falls die Notstromanlage nicht über eine USV (Unterbrechungsfreie Stromversorgung) verfügt, kommt es bei einem Ausfall des öffentlichen Netzes so lange zu einer Unterbrechung, bis das Aggregat die notwendigen Betriebsparameter erreicht hat und die Stromversorgung übernehmen kann. Bei Aggregaten für Anwendungen nach VDE 0100-710 und VDE 0100-718 werden bestimmte Zeitlimits für das Bereitstellen des Notstroms vorgeschrieben.

Verursacht auch eine kurzfristige Unterbrechung der Stromversorgung nachhaltige Schäden, muss die Notstromanlage von einer unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV) unterstützt werden, welche die Stromversorgung nach dem Netzausfall für einige Minuten übernimmt, bis die Notstromanlage bereit ist, konstanten Strom zu produzieren. Unterbrechungsfreie Stromversorgungen benötigen vor allem Krankenhäuser, sensible technische oder chemische Anlagensteuerungen zur ununterbrochenen Regelung kritischer Prozesse, Netzwerkknoten (Hubs), Serverräume und Rechenzentren.

Notstromfall

Der "Notstromfall" ist das Aufrechterhalten der elektrischen Energieversorgung bei einem Ausfall des Stromnetzes durch ein oder mehrere Notstromaggregate. Dies kann manuell oder automatisch erfolgen. Der automatische Anlauf und die automatische Verbraucherumschaltung sind für alle Anlagen zwingend erforderlich, für die eine Netzersatzanlage gesetzlich vorgeschrieben wurde. Die NEA kann nicht durch mehrfache Anschlüsse an verschiedene Stromnetze unterschiedlicher Energieversorger ersetzt werden, da ein Ausfall eines Stromnetzes in einem Dominoeffekt die Überlastung und den Ausfall benachbarter Stromnetze nach sich ziehen kann.

Gemäß einer Statistik der GRS hat es zwischen 1993 und 2006 in deutschen Kernkraftwerken sechs Notstromfälle gegeben: In Gundremmingen C am 8. Mai 1993, in Neckarwestheim 1 am 12. Mai 1999, gleichenorts noch einmal am 4. Juni 2000, in Grafenrheinfeld am 2. April 2002, in Biblis B am 8. Februar 2004 und ein drittes Mal in Neckarwestheim 1 am 19. Februar 2005.

Technologie

Tragbares Stromaggregat

Energiequellen

Kleinere Geräte werden meist mit einem Ottomotor angetrieben, größere dagegen mit Dieselmotoren. Ottokraftstoff ist hinsichtlich des Explosionsschutzes schwerer zu handhaben und ist daher bei stationären Aggregaten baurechtlich unzulässig.

Gestartet werden Stromerzeugungsaggregate per Seilzug, mittels Druckluft oder mit elektrischem Anlasser, wobei die letzte Möglichkeit das Vorhandensein einer Batterie voraussetzt. Bei Kernkraftwerken erfolgt der Start vollautomatisch durch das Reaktorschutz-System.

Im landwirtschaftlichen Bereich kann man so genannte Zapfwellengeneratoren finden, die an den Nebenabtrieb oder die Zapfwelle eines Fahrzeugs angeschlossen werden. Diese Zapfwellengeneratoren verfügen über keinen eigenen Motor, sondern werden über ein Zwischengetriebe und eine Welle von einer Zugmaschine (Traktor) angetrieben. Dies hat den Vorteil, dass diese Geräte günstig in Anschaffung und Wartung sind, da kein Verbrennungsmotor gekauft und gewartet werden muss.

Inzwischen sind auch hydraulisch angetriebene Generatoren bis über 70 kVA erhältlich, die von einer fahrzeugeigenen Hydraulik angetrieben werden können. Brennstoffzellenaggregate sind bereits kommerziell verfügbar, jedoch wenig verbreitet und sehr teuer.

Generator

Stationäres Notstromaggregat: elektrischer Generator vorne links, rechts dahinter der Achtzylindermotor

Als Generatoren für Stromerzeugungsaggregate kommen sowohl Synchron- als auch Asynchronmaschinen zum Einsatz. Asynchronmaschinen finden bis zu Leistungen von etwa 2,5 kVA Verwendung, darüber hinaus Synchronmaschinen. Da Asynchronmaschinen im Inselbetrieb ohne spezielle Einrichtungen keine Blindleistung liefern, können in dem Fall nur ohmsche Lasten (z. B. Heizungen oder Beleuchtungseinrichtungen) gespeist werden. Synchronmaschinen verfügen über eine Erregereinrichtung und sind somit im Inselbetrieb in der Lage, neben der Wirkleistung für ohmsche Lasten Blindleistung für kapazitive oder induktive Lasten zu liefern.

Betriebssicherheit

Eine heikle Frage ist vor allem bei mobilen Geräten immer, ob eine ausreichende Erdung vorliegt, so dass keine Stromunfälle passieren können. Es ist oft davon abhängig, welche Schutzmaßnahmen (Sicherungen, Schutzschalter oder Isolationswächter) zwischen das Notstromaggregat und den Verbraucher geschaltet sind. Solange einzelne Verbraucher der Betriebsvorschrift entsprechend angeschlossen sind, ist die Sicherheit gewährleistet. Seit 2007 dürfen in Österreich in der Landwirtschaft nur noch Generatoren mit Isolationsüberwachung verwendet werden. Eine Isolationsüberwachung macht den Erdungsspieß überflüssig und ist sicherer. Bei einem Fehlerstromschutzschalter (FI) muss ein Erdungswiderstand erreicht werden, der klein genug ist, damit der FI auslöst. Bei einem felsigen oder sandigen Untergrund ist das nicht möglich.

Anschluss an das öffentliche Stromnetz

Meist ist eine Einspeisung aus wirtschaftlichen Gründen nicht erwünscht oder z. B. für Tarifkunden durch gesetzliche Vorgaben eingeschränkt. Ferner gibt es eine hohe Hürde, nämlich die notwendige Synchronisierung, diese erfordert einen zusätzlichen technischen Aufwand. Für die Einspeisung werden Netzersatzanlagen verwendet, die sich mit dem Netz synchronisieren können.

Notstromversorgungen weisen vorgeschriebene Einrichtungen wie Netzabfallrelais auf, mit denen sie an das normale Gebäudestromnetz angeschlossen werden können, aber dann (abgesehen von Anlagen die für Kurzzeitparallelbetrieb nach Spannungswiederkehr im normalerweise versorgenden Netz ausgelegt sind) keinen Strom ins öffentliche Netz liefern können. Die genauen Vorschriften hängen von den Anforderungen der Netzbetreiber (Energieversorgungsunternehmen) und von der Gerätebeschreibung ab.

Einsatz

Stationärer Einsatz

In vielen Bauten wie Krankenhäusern, Umspannwerken, TV- und Radiosendern oder auch Industriebetrieben werden stationäre Aggregate verwendet, die zuverlässig anspringen müssen. Das Hochlaufen der Aggregate unter Last ist nicht möglich. Daher ist eine batteriegepufferte unterbrechungsfreie Stromversorgung notwendig, um kurze Ausfälle zu kompensieren, ein Anlassen des Aggregates zu ermöglichen (falls die Batteriekapazität zur Neige geht) und um die ggf. vorgeschriebene Notbeleuchtung zu speisen. Neben den Investitionen ergeben sich laufende Kosten für Wartung und regelmäßige Testläufe, wenn kein Ausfall des öffentlichen Netzes eingetreten ist.

Auch in Wohnhäusern entsprechender Größe (Hochhäuser) sind vielfach Notstromaggregate vorgeschrieben, um bei Stromausfall sicherheitsrelevante Systeme (Fahrstühle/Löschanlagen/Notbeleuchtung) in Betrieb zu halten und schlimmstenfalls eine geordnete Evakuierung zu ermöglichen. Dabei ist es wichtig, dass die Anlagen durch entsprechend geschultes Personal gewartet und regelmäßig in Betrieb genommen werden, um 'Standschäden' wie das Festsetzen von Lagern oder den chemischen Zerfall von Dieselkraftstoff zu verhindern.

Ein weiteres Beispiel ist der Bereich der Logistik. Hier wird ein Teil der Datenverarbeitung von stationären Aggregaten versorgt, um zum Beispiel einen Zugriff auf das Warenwirtschaftssystem bei einem Netzausfall zu gewährleisten.

Mobiler Einsatz

175-kVA-Netzersatzanlage des THWs

Es gibt auch kleinere, mobile Geräte, die tragbar sind oder auf Anhängern montiert werden können. Diese werden vielfach im Katastrophenschutz wie bei den Feuerwehren eingesetzt. Sie werden nicht nur bei Stromausfall, sondern auch in Gebieten ohne Stromversorgung eingesetzt, zum Beispiel für mobile Wasseraufbereitungsanlagen des KHDs, des THWs oder anderer Hilfsorganisationen. Die Aggregate, die vom Katastrophenschutz benutzt werden, besitzen in den kleinen, meist tragbaren Varianten eine Leistung von 2,5 bis 14 kVA. Dies sind meist Aggregate, die über mehrere 230-Volt-Schutzkontakt-Steckdosen verfügen und darüber hinaus meist noch mit einem Drehstrom-Anschluss ausgestattet sind. Die moderneren Geräte des THWs werden mit Viertaktmotoren angetrieben. Es sind allerdings auch noch ältere Modelle mit Zweitaktmotoren-Antrieb zu finden. Diese werden aber aufgrund ihrer unzuverlässigen Starteigenschaften immer mehr verdrängt. Werden sie dennoch weiterhin eingesetzt, dann aus dem Grund, dass der Motor unter bestimmten Einsatzbedingungen besser als ein 4-Takter funktioniert. Aggregate der Rettungsdienste sind in der Regel Synchrongeneratoren, die die hohen notwendigen Anlaufströme der Gerätschaften (z. B. eines Winkelschleifers) garantieren können. Die auf Anhänger montierten Aggregate sind vorwiegend mit Dieselmotoren versehen, welche eine Leistung im Bereich zwischen 20 und 630 kVA erbringen. Neben der Nutzung fossiler Brennstoffe existieren bereits erste Stromaggregate, welche vollständig oder teilweise auf erneuerbare Energien zurückgreifen. Dabei wird über Solarzellen oder Windräder die Wind- bzw. Sonnenenergie genutzt. Hybridmodelle nutzen hierbei zusätzlich fossile Brennstoffe, um bei widrigen Wetterbedingungen (fehlende Sonne oder Wind) dennoch Strom erzeugen zu können.

Bordnetzversorgung

Für die Bordnetzversorgung von Flugzeugen während der Wartung oder vor dem Start kommen ebenfalls mobile Aggregate zum Einsatz. Soll das Flugzeug aus dem öffentlichen Stromnetz versorgt werden, kommen wegen der anderen Spannung (110 Volt) und Frequenz (400 Hz) Frequenzumformer zum Einsatz.

Elektromobile

Im Elektrofahrzeugsektor werden Stromerzeugungsaggregate zur Reichweitenverlängerung genutzt, siehe Range Extender.

Siehe auch

• Hilfstriebwerk
• Bereitschaftsparallelbetrieb

Normen und Standards

• DIN ISO 8528-1:2005-06 Stromerzeugungsaggregate mit Hubkolben-Verbrennungsmotoren - Teil 1: Anwendung, Bemessungen und Ausführungen
• DIN 6280 Stromerzeugungsaggregate mit Hubkolben-Verbrennungsmotoren (in Teilen durch die DIN ISO 8528 ersetzt, teilweise noch gültig)
• EN 60034-22 VDE 0530-22:2010-08 - Drehende elektrische Maschinen, Teil 22: Wechselstromgeneratoren für Stromerzeugungsaggregate mit Hubkolben-Verbrennungsmotoren
• DIN VDE 0100-551:2011-06 - Errichten von Niederspannungsanlagen, Teil 5-55: Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel – Andere Betriebsmittel – Abschnitt 551: Niederspannungsstromerzeugungseinrichtungen
• DIN VDE 0100-710:2012-10 - Errichten von Niederspannungsanlagen, Teil 7-710: Anforderungen für Betriebsstätten, Räume und Anlagen besonderer Art – Medizinisch genutzte Bereiche
• DIN VDE 0100-718:2005-10 - Errichten von Niederspannungsanlagen - Anforderungen für Betriebsstätten, Räume und Anlagen besonderer, Art Teil 718: Bauliche Anlagen für Menschenansammlungen

Literatur

• A. Rosa: Projektierung von Ersatzstromaggregaten – Errichten und Betreiben von Stromerzeugungsaggregaten nach DIN VDE 0100-551, DIN VDE 0100-560, DIN VDE 0100-710, DIN VDE 0100-718, DIN 6280, DIN ISO 8528, VDEW-Richtlinien, baurechtlichen Regelungen wie EltBauVO, LAR usw. VDE-Schriftenreihe Band 122, VDE-Verlag, ISBN 978-3-8007-2910-4.