Sitras SES Das Energiespeichersystem für den Nahverkehr

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1 Sitras SES Das Energiespeichersystem für den Nahverkehr Transportation Systems

2 Unser Beitrag zum zukunftsorientierten Nahverkehr Energiespeicher Sitras SES: Optimierte Betriebskosten und angewandter Umweltschutz 2

3 Ökologisch und ökonomisch Der öffentliche Personennahverkehr wird in allen Teilen der Erde immer wichtiger, um dem wachsenden Bedürfnis nach größerer Mobilität bei gleichzeitig ständig steigender Bevölkerungsdichte entsprechen zu können. Dabei kommt es entscheidend darauf an, die Umweltfreundlichkeit und Wirtschaftlichkeit des öffentlichen Personennahverkehrs weiter zu verbessern, um seine Attraktivität insbesondere in den Ballungsräumen zu erhöhen. Unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten rücken dabei vor allem die Energiekosten der Nahverkehrssysteme in den Blickpunkt. Diese stellen einen wesentlichen Anteil der Betriebsaufwendungen dar. Dabei zeigen genaue Analysen, dass bis zu 4 % der Antriebsenergie rückspeisefähiger Fahrzeuge beim Bremsen zurückgewonnen und diese Energie für zeitgleich beschleunigende Fahrzeuge genutzt werden kann. Genau hier setzt das innovative Konzept von Siemens Transportation Systems an: Die Bremsenergie lässt sich nach Speicherung in einem Energiespeicher wie Sitras SES zeitversetzt abgeben, um so den Energiebedarf des Systems zu optimieren. Bezugsenergie 9 % für Traktion 1 % für Eigenbedarf Bremsenergie Kinetische Energie 4 % der Bezugsenergie 1 % 4 % 3

4 Sitras SES Mehr Netzqualität, weniger Energieverbrauch Ein Prinzip für zwei Betriebsarten 4

5 Der Energiespeicher Sitras SES Sitras SES ist ein statischer Energiespeicher, der optimale Voraussetzungen für die Energierückgewinnung im öffentlichen Nahverkehr schafft. Sitras SES kann äußerst schnell Energie speichern und abgeben und erlaubt so den vollständigen Energieaustausch zwischen Fahrzeugen, auch wenn deren Brems- und Beschleunigungsvorgänge nicht zeitgleich ablaufen, was in der Praxis häufig der Fall ist. Sitras SES reduziert den Primärenergiebedarf ohne Einfluss auf Transportleistung und Pünktlichkeit. Zusätzlich können die Energiespeicher die Spannung stabilisieren. So verbessert sich die Leistungsfähigkeit der Bahnstromversorgung bei Anfahrvorgängen und die Anzahl der Unterspannungsauslösungen auf den Fahrzeugen sinkt erheblich. Sitras SES ein Prinzip, zwei Betriebsarten Sitras SES arbeitet in zwei Betriebsarten: Als Spannungsstabilisator wird er konstant auf hohem Ladegrad gehalten und gibt Energie ab, wenn die Systemspannung unter einen definierten Grenzwert fällt. In der Betriebsart Energiesparen nimmt er dagegen die beim Bremsen zurückgewonnene Energie auf und speichert sie, um sie zeitversetzt wieder für Beschleunigungsvorgänge abzugeben. Zwischen den Betriebsarten kann automatisch umgeschaltet werden, damit sich Sitras SES den betrieblichen Anforderungen optimal anpassen kann. Innovationen für höchste Effizienz Das Herzstück des von Siemens Transportation Systems entwickelten Sitras SES ist der Doppelschicht-Kondensator. Als innovatives Großserienprodukt passt er nicht nur in Preis und Leistung, er ist bei hoher Lebensdauer im Gegensatz zu dem (wartungsintensiven) Schwungradspeicher auch völlig wartungsfrei und ermöglicht den Energieinhalt einfach zu skalieren bzw. kaskadieren. Dadurch kann Sitras SES perfekt auf die Anforderungen des Nahverkehrs abgestimmt werden. Und: Bis auf den Doppelschicht-Kondensator entstammen sämtliche Systemkomponenten der bewährten und robusten Bahntechnik. Standardisierte Bauelemente ermöglichen größtmögliche Flexibilität für den Einsatz in Unterwerken, gleichzeitig bleibt die optimale Betriebssicherheit uneingeschränkt erhalten. Zeitpunkt t 1 Fahrzeug 1 bremst Ë Speicher nimmt Energie auf Speicher Zeitpunkt t 2 Fahrzeug 2 beschleunigt Ë Speicher liefert Energie Fahrbetrieb mit Sitras SES 5

6 Betriebsart Spannungstabilisieren Sitras SES schafft bessere Netzqualität 7 65 Spannungsstabilisierung 6 Systemspannung U SYS [V] 55 5 Einsatzspannung 5 25 Laden aus Bremsvorgang Speicherstrom I SES [A] 25 5 Laden aus dem DC Unterwerk Energieinhalt W SES [%] t [s] Regeldynamik der Betriebsart Spannungstabilisieren (Messung Metro de Madrid 22) 6

7 Stabile Spannung stabiler Betrieb Sitras SES löst ein Problem, das in der Vergangenheit häufig zu Betriebsstörungen im Nahverkehr führte. Bei zeitgleichem Beschleunigen mehrerer Züge kann die Systemspannung unter einen kritischen Wert sinken und damit zu Unterspannungsauslösungen auf den Fahrzeugen führen mit der Folge, dass der Betrieb für einige Zeit gestört ist. Sitras SES löst diese Aufgabe kostengünstig und elegant. Unterschreitet die Systemspannung einen festgelegten Grenzwert, wird der Energiespeicher entladen und stützt damit die Systemspannung. Regeldynamik des Sitras SES Die Grafik zeigt, dass Sitras SES mit Unterschreiten der Einsatzspannung hervorgerufen durch zeitgleiches Beschleunigen mehrerer Fahrzeuge zum Zeitpunkt t 1 beginnt, die Systemspannung zu stützen: Der Speicherstrom I SES wird negativ und liefert damit ausreichend Energie, um die Systemspannung auf dem Niveau von 51 V zu halten, der Energiespeicher wird kontinuierlich bis zum Zeitpunkt t 2 entladen. Anschließend wird der Energiespeicher entweder aus dem DC Unterwerk und durch beim Bremsen von Fahrzeugen freigesetzte Energie geladen. Der Zeitpunkt t 3 und t 4 zeigt das rapide Ansteigen des Speicherstroms bei Bremsvorgängen; der Energieinhalt steigt weiter an. Konkrete Vorteile durch intelligente Technik Mit Sitras SES sorgen wir dafür, dass die Systemspannung im erforderlichen Bereich bleibt. Dadurch erhöht sich die Verfügbarkeit der Bahnstromversorgung und spannungsbedingte Betriebsstörungen z. B. durch neue Fahrzeuge mit höherem Energiebedarf treten nicht mehr auf. Um dies mit konkreten Zahlen zu belegen: Für Testzwecke wurde ein Energiespeicher Sitras SES zwischen Februar 22 und Juni 22 zur Optimierung der Systemspannung bei der Metro de Madrid eingesetzt. Spannungen unterhalb von 49 Volt traten mit Energiespeicher nicht mehr auf und auch die Häufigkeit von Spannungen unterhalb von 53 Volt hat sich deutlich verringert. Dieser positive Effekt wurde dadurch bewirkt, dass Sitras SES exakt im Spannungsband zwischen 49 und 52 Volt ansetzt und die Systemspannung stützt. Dabei wird Sitras SES größtenteils durch die beim Bremsen zurückgewonnene Energie kurzzeitig mit hohem Strom geladen. Eventuell fehlende Ladung wird kontinuierlich mit geringem Strom aus dem DC Unterwerk ergänzt.,5 H U [%] Betrieb ohne Speicher Betrieb mit Speicher,45,4,35,3,25,2,15,1, U Sys [V] Häufigkeit der Systemspannung (Messung bei Metro de Madrid 22) 7

8 Betriebsart Energiesparen Sitras SES schont Ressourcen Systemspannung U Sys [V] Strom I 1 (Abgangsfeld 1) Strom I 2 (Abgangsfeld 2) [A] Fahrzeug bremst Strom I 3 (Abgangsfeld 3) [A] Fahrzeug beschleunigt 2. Fahrzeug beschleunigt Strom I 4 (Abgangsfeld 4) [A] Speicherstrom I SES [A] 7 7 Speicher liefert Strom Speicher nimmt Strom auf Speicher nimmt Strom auf, der Energieinhalt steigt 1 % Speicher gibt Energie ab Energieinhalt W SES [%] 3 % Speicher gibt Energie ab Speicher nimmt Energie auf t [s] Regeldynamik Energiesparen (Messung bei Kölner Verkehrsbetrieben 2) 8

9 Reduzierter Primärenergiebedarf geringere Kosten Sitras SES löst das Problem der steigenden Energiekosten durch eine Verringerung des Primärenergiebedarfs. Im täglichen Einsatz als Energiespeicher liefert das System überzeugende Messergebnisse: Die Bremsenergie eines Fahrzeugs würde ohne Energiespeicher einfach auf den Bremswiderständen verheizt, wenn nicht zeitgleich ein anderes Fahrzeug beschleunigt. Da dies in der Regel nicht zu koordinieren ist, speichert Sitras SES die beim Bremsen frei werdende Energie und gibt diese beim Beschleunigen des Fahrzeugs wieder ab. So reduziert sich der Energiebedarf im Unterwerk erheblich und neben der Energieeinsparung kommt der Umwelt auch noch eine entsprechende CO 2 -Ersparnis zu Gute. Regeldynamik des Sitras SES Die Grafik zeigt, dass ein Fahrzeug im Speiseabschnitt 3 im Zeitpunkt t 1 beschleunigt (positiver I 3 ); der Energiespeicher liefert Energie in das Bahnnetz (W SES verringert sich; I SES wird negativ). Beim Zeitpunkt t 2 bremst ein Fahrzeug im Speiseabschnitt 2 (negativer I 2 ). Der Energiespeicher nimmt Energie auf (W SES steigt; I SES wird positiv). Im Zeitpunkt t 3 bremst ein Fahrzeug im Speiseabschnitt 1 (negativer I 1 ; W SES steigt; I SES wird positiv). Der Zeitpunkt t 4 zeigt, dass noch während des Bremsvorgangs ein anderes Fahrzeug im Speiseabschnitt 4 beschleunigt, der Energiespeicher unterbricht sofort den Ladevorgang und unterstützt den Beschleunigungsvorgang mit gespeicherter Energie (W SES verringert sich; I SES wird negativ). Kosten und CO 2 sparen Mit Sitras SES sorgen wir dafür, dass mit dem reduzierten Primärenergiebedarf auch der CO 2 -Ausstoß verringert wird. Das Messprofil aus unserem Testbetrieb bei den Kölner Verkehrsbetrieben verdeutlicht den Unterschied im Betrieb mit und ohne Energiespeicher. Der Energiebedarf des betreffenden Unterwerks wurde im August 2 gegenüber dem Vorjahr um rund 15. kwh gesenkt. Durch den Einsatz nur eines Energiespeichers können, in Abhängigkeit der Gegebenheiten beim Betreiber, maximal rund 5. kwh pro Jahr eingespart werden. Dies hat neben der gewaltigen Kosteneinsparung auch noch einen anderen entscheidenden Umweltaspekt: Die Erzeugung dieser Energiemenge würde einen zusätzlichen CO 2 -Ausstoß von rund 3 Tonnen pro Jahr bedeuten. 2. W [kwh] W UW W RÜCK Einsatz Sitras SES W RÜCK 15. Juli Aug Sep Okt Nov Jan Feb März April Mai Juni Juli Aug Sep Okt Nov Dez Energieeinsparung (Messung bei Kölner Verkehrsbetrieben) 9

10 Sitras SES weltweit im Einsatz [1] 1

11 [2] [3] [4] Professionelle Tools für ein perfektes Ergebnis Intelligente Tools unterstützen unsere Ingenieure bei der Auswahl des richtigen Standorts und bei den Einsatzmöglichkeiten des Sitras SES. Dabei können einzelne Streckenabschnitte, bis hin zu gesamten Streckennetzen in Simulationen nachgebildet und unter Berücksichtigung anlagenspezifischer Anforderungen analysiert und optimiert werden. Selbst die gegenseitigen Beeinflussungen der Einzelkomponenten werden dabei mit einbezogen für ein optimiertes Bahnstromversorgungs-System unserer Kunden. Energiespeicher Sitras SES Sicher und wirtschaftlich Sitras SES ist besonders kompakt gebaut und besteht aus den Hauptkomponenten Kondensatorbank und Umrichter mit Anschlusseinheit. Die Einheiten können als Schrankgeräte für den Einsatz in bestehenden oder neu zu errichtenden Unterwerken geliefert werden. Der Aufwand bei Montage und Inbetriebsetzung ist durch vorgeprüfte standardisierte Komponenten besonders niedrig. [1] Portland: Testbetrieb August 22 bis Dezember 23 [2] Madrid I: Testbetrieb Februar 22 bis Juni 22 Madrid II: Einsatz ab Juli 23 Madrid III: Einsatz ab November 23 [3] Köln I: Testbetrieb April 2 bis Januar 23 Köln II: Einsatz ab Juli 23 Köln III: Einsatz ab Oktober 24 Köln IV: Einsatz ab Mai 26 Köln V: Einsatz ab Dezember 26 [4] Dresden I: Testbetrieb September 22 bis Juni 23 Dresden II: Einsatz November 23 bis Februar 24 [5] Bochum: Einsatz seit Mai 24 [6] Peking: Einsatz ab Februar 27 [5] [6] 11

12 Electrification Siemens AG Transportation Systems Electrification Postfach Erlangen Germany electrification Printed in Germany TH WS 96.2 Dispo c4bs 3896 Bestellnr.: A191-V3-B663-V1 Die Informationen in diesem Dokument enthalten allgemeine Beschreibungen der technischen Möglichkeiten, welche im Einzelfall nicht immer vorliegen müssen. Die gewünschten Leistungsmerkmale sind daher im Einzelfall bei Vertragsschluss festzulegen.

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