Niederspannungs-Energieverteilung

Energieverluste mit wenigen Schritten reduzieren

8.5.2024
15 Minuten
Die hohe Bedeutung von Energieeffizienz und Nachhaltigkeit in Energieverteilungssystemen ist inzwischen unbestritten. Häufig wird jedoch unterschätzt, dass die Basis für entsprechende Maßnahmen bereits in der frühen Planungsphase gelegt wird. Energieeffizienzsteigerungen sowie Kosten- und CO2-Einsparungen in der Niederspannungs-Energieverteilung werden so möglich.
Autoren: Roland Fleischmann, Business Development, Siemens Smart Infrastructure – Electrical Products und Felix Frömming, Central Consultant Support, Siemens Smart Infrastructure – Totally Integrated Power

Rund 40 % des weltweiten Gesamtenergieverbrauchs werden von Gebäuden verursacht. Allein in Deutschland entfallen rund 10 % des Nettostromverbrauchs auf öffentliche Einrichtungen. Angesichts einer Nutzungsdauer der Gebäude von häufig mehr als 50 Jahren ist es daher sinnvoll, hier nach Möglichkeiten zu suchen, um den Stromverbrauch zu senken. Gleichzeitig verschärft die Energiewende die Frage nach der Aufrechterhaltung der Versorgungssicherheit. Steigende Stromkosten und der Druck zur Reduzierung der Kohlendioxidemissionen zwingen ebenfalls zum Umdenken. Eine ganzheitliche Digitalisierungsstrategie für die gesamte Niederspannungsinfrastruktur sorgt für mehr Energieeffizienz, erhöht die Sicherheit und senkt die Kosten.

Bereits in der frühen Planungsphase lässt sich die Energieeffizienz der Niederspannungs-Energieverteilung erheblich steigern. Quelle: Siemens AG

Energieeffizienz beginnt mit der Planung

Die gesetzlichen Vorgaben sind ehrgeizig. Bis 2027 müssen beispielsweise alle neuen öffentlichen Gebäude CO2-neutral sein. Für Elektroplaner ist in diesem Zusammenhang die Norm IEC 60364-8-1 (DIN VDE 0100-801) im Rahmen der EU-Gebäuderichtlinie von Bedeutung. Kurz gesagt geht es darin um eine möglichst effiziente Energieverteilung mit bestmöglichem Nutzen bei gleichzeitig minimalen Verlusten.

Dafür werden Elektroinstallationen in Gebäuden in sechs Effizienzklassen (EE0 bis EE5) eingestuft. In die Bewertung fließen 26 verschiedene Parameter ein. Mit dem Efficiency Guide von Siemens, verfügbar in der Simaris Suite, lässt sich die Berechnung einfach umsetzen. Das Tool übernimmt nahtlos die Daten aus der Planungssoftware Simaris design, führt Schritt für Schritt durch den Bewertungsprozess, zeigt Verbesserungspotenziale auf und liefert eine umfassende Dokumentation.

Elektroinstallationen in Gebäuden nach IEC 60364-8-1 / DIN VDE 0100-801 in sechs Effizienzklassen (EE0 bis EE5) eingestuft. In die Bewertung fließen 26 verschiedene Parameter ein. Quelle: Siemens AG

Optimale Auslegung vom Start weg

Welche Möglichkeiten hat nun der Anwender? In der Praxis haben sich zum Beispiel Energiemanagementkonzepte bewährt, die Leerläufe vermeiden, gezielten Lastabwurf ermöglichen und lokal erzeugte, regenerative Energiequellen einbeziehen. Idealerweise werden solche Konzepte bereits in der Anlagenplanung berücksichtigt. Zudem sollten energieeffiziente Verbraucher gewählt und die Geräte optimal ausgelegt werden. Generell gilt, die Energieübertragung sollte so weit wie möglich auf der Mittelspannungsebene erfolgen. Es gibt jedoch noch weitere Maßnahmen, die zum Erfolg führen.

Durch einen optimierten Aufbau der Schaltgerätekombination mit Mitteneinspeisung lässt sich die Verlustleistung innerhalb der Schaltanlage deutlich reduzieren. Quelle: Siemens AG

Betrachtung von Kabeln, Leitungen, Transformatoren und Schutzeinrichtungen

Kabel und Leitungswege bergen grundsätzlich ein Verlustpotenzial. In einer optimalen Netzarchitektur werden daher die Übertragungswege möglichst kurzgehalten. Eine verbrauchernahe Anordnung des Transformators sowie der Haupt- und Unterverteilungen führen zu kürzeren Kabellängen. Die Betrachtung der Trassenlängen innerhalb der Energieverteilung kann im Übrigen auch nach dem Punktesystem der IEC 60364-8-1 bewertet werden. Dabei gilt: Je kürzer die Kabellängen, desto höher die Energieeffizienz.

Außerdem lassen sich mit einer tendenziell größeren Dimensionierung von Kabeln, Leitungen, Transformatoren und Schutzgeräten die Energieverluste deutlich minimieren. Insbesondere bei längeren Übertragungsstrecken lohnt es sich z.B. den Querschnitt der eingesetzten Kabel und Leitungen größer zu wählen und damit zunächst den Leitungswiderstand sowie in der Folge die Übertragungsverluste zu reduzieren.

Anforderungsgerechte Dimensionierung des Transformators

Transformatoren beeinflussen den Gesamtwirkungsgrad und damit die Gesamteffizienz der elektrischen Anlage. Leerlaufverluste und insbesondere Kurzschlussverluste können zu einer erheblichen Gesamtverlustleistung führen. Bei geringer Auslastung überwiegen die konstanten Leerlaufverluste. Steigt die Auslastung des Transformators, nehmen die lastbedingten Kurzschlussverluste quadratisch mit der Stromstärke zu und erhöhen die Gesamtenergieverluste erheblich. Der maximale relative Wirkungsgrad bezogen auf die übertragene Leistung wird erreicht, wenn Leerlauf- und Kurzschlussverluste gleich groß sind. Dieser optimale Arbeitspunkt liegt in der Regel bei einer Auslastung zwischen 30 % bis 50 %. Dies bedingt die Auswahl eines größeren Transformators und damit höhere Investitionskosten. Durch die geringeren Betriebskosten während der Nutzung lassen sich diese Kosten allerdings in überschaubarer Zeit wieder amortisieren.

Der optimale Arbeitspunkt und der nach IEC 60364-8-1 ideale Belastungsbereich lassen sich unkompliziert und schnell mit Sitrato berechnen, das ebenfalls Bestandteil der Simaris Suite ist.

Prinzipielle Darstellung der Trafoverluste in Abhängigkeit von der Auslastung. Quelle: Siemens AG

Leistungsoptimierter Aufbau der Niederspannungs-Hauptverteilung

In der Praxis erfolgt die Energieeinspeisung an der Hauptsammelschiene in vielen Fällen von einer Seite. Dies führt zu einer unnötig hohen Belastung der Sammelschiene am Einspeisepunkt und in den ersten Verbraucherabschnitten. Die Energieverluste sind hier vergleichsweise hoch. Innerhalb der Niederspannungs-Hauptverteilung lassen sich solche Verluste vermeiden, indem eine Mitteneinspeisung gewählt wird und die größten Lastabgänge möglichst nahe am Einspeisepunkt platziert werden. Damit lassen sich bei gleichem Sammelschienenquerschnitt bis zu 75 % der Leistungsverluste innerhalb der Schaltanlage reduzieren.

Auswahl von Schutzeinrichtungen mit geringen Eigenverlusten

Bei der Auswahl geeigneter Schutzgeräte empfiehlt es sich unter dem Aspekt der Energieeffizienz auf Produkte mit elektronischem Auslöser zu achten. Während elektronisch auslösende Schutzschalter direkt stromabhängig arbeiten, wird bei Geräten mit thermischen oder thermomagnetischen Auslösern die Abschaltung über Erwärmung erwirkt. Dies hat eine höhere Eigenverlustleistung zur Folge.

Maximale Transparenz durch effiziente Energiemessung

Man kann nur optimieren, was man vorher gemessen hat. Daher sollte bereits in der Planungsphase ein fundiertes Konzept zur Energiemessung innerhalb der Energieverteilung erstellt werden. Auch hier bietet die IEC 60364-8-1 einen Leitfaden. Die Auswahl und Installation von Energiemesseinrichtungen erfolgt hierbei abhängig von Anwendung und Anlagenspezifikationen. Die Norm definiert drei Klassen von Gerätearten (PMD): PMD-I für Energienutzungsmessung, PMD-II für grundlegende Leistungsüberwachung und PMD-III für erweiterte Leistungsüberwachung. Die PMD-Klasse eines Geräts bestimmt die erforderlichen Funktionalitäten im Hinblick auf die Messung unterschiedlicher Parameter. In der Regel kommen PMD-III-Geräte an Einspeisepunkten, PMD-II-Geräte auf Verteilebene und PMD-I-Geräte an Lasten zum Einsatz. Die Auswahl hängt jedoch von individuellen Gegebenheiten und Anforderungen ab, insbesondere bei kritischen Lasten oder Lasten mit umfangreichem Datenbedarf.

Ziel ist dabei einen möglichst großen Anteil des Gesamtjahresenergieverbrauchs bestimmten Verbrauchergruppen zuordnen zu können und kritische Teilsysteme kontinuierlich zu überwachen. Nur durch maximale Transparenz sind im nächsten Schritt auch Optimierungsmaßnahmen im Bereich Energie-/Lastenmanagement möglich.

Fazit und Ausblick

Damit elektrische Anlagen den heutigen hohen Anforderungen an Energieeffizienz gerecht werden können, ist es notwendig, bereits in der Planung der Energieverteilungen entsprechende Konzepte vorzusehen. Wie die vorausgegangenen Erläuterungen gezeigt haben, birgt die Konzeption, Auslegung und Dimensionierung der geplanten Produkte und Systeme ein interessantes Potenzial zur Reduzierung von Energieverlusten und damit zur Steigerung der Effizienz. In Kombination mit einem fundierten Konzept zur Energiemessung schaffen Planer die Grundlage für ein effizientes Energiemanagement im späteren Betrieb. Die Zielsetzung liegt dabei nicht in der Senkung von Investitionskosten, sondern in der Reduzierung von Energiekosten sowie insbesondere in der Erfüllung gesetzlicher Anforderungen auf Grundlage der aktuellen Klimapolitik. Durch die Optimierung der Energieeffizienz in Niederspannungs-Energieverteilungen lassen sich beachtliche Einsparungen an CO2-Emissionen in Gebäuden erzielen, die einen relevanten Beitrag zum politischen Ziel der Klimaneutralität leisten. Damit verbundene höhere Investments zahlen sich finanziell auch für den Investor aus. Denn Betreiber stehen auf Grund der heutigen Rahmenbedingungen unter starkem Druck, möglichst CO2-neutral zu agieren und sparen durch minimierte Verluste zudem bares Geld ein. Die Effizienz der Energieverteilung wird für Betreiber daher auch in Zukunft ein wesentliches Kriterium bei der Auswahl von Immobilien sein. Für Investoren stellt sie folglich die Voraussetzung für eine erfolgreiche Vermietung oder Veräußerung des Objekts dar.

Idealerweise besteht ein entsprechendes Konzept zur Steigerung der Energieeffizienz stets aus einer Kombination mehrerer unterschiedlicher Maßnahmen, die sich bei vorausschauender Planung gegenseitig ergänzen und in ihrer jeweiligen Wirkung verstärken.

Tipp: Unterstützung zur Planung findest Du im Webinar "Energieeffizienz in der Energieverteilung beginnt bei der Planung" und bei Totally Integrated Power:

www.siemens.de/tip

www.siemens.de/simaris

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