• Veröffentlichungsdatum: 19.07.2018
  • – Letztes Update: 31.07.2018

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Notstromversorgung für Tankstellen - Teil 1

Josef Bogensperger

Allgemeine Überlegungen und technische Aspekte

(Foto: Pixabay 1839760, 2741/Montage: Keusch)
(Foto: Pixabay 1839760, 2741/Montage: Keusch)

Langfristige Stromausfälle sind in Österreich aktuell selten. Das muss jedoch nicht immer so bleiben, wie Beispiele im internationalen Umfeld zeigen. Vor allem ein Blackout, bei dem es über mehrere Tage keine Stromversorgung gäbe, hätte schwerwiegende Folgen und massive Auswirkungen auf die Kritische Infrastruktur und die Sicherheit in Österreich.

In diesem zweiteiligen Artikel werden allgemeine, wirtschaftliche, militärische und technische Aspekte der Notstromversorgung am Beispiel von Tankstellen, die für die Aufrechterhaltung des täglichen Lebens sowie das Funktionieren der Sicherheitsarchitektur notwendig sind, erörtert. Der erste Teil gibt einen Überblick und erläutert militärische, allgemeine und technische Aspekte, der zweite Teil beschäftigt sich mit der praktischen Umsetzung der Notstromversorgung.

Militärische Überlegungen zur Notstromversorgung

Seit 2017 wird das staatliche Ziel verfolgt, das Österreichische Bundesheer (ÖBH) als strategische Handlungsreserve der Republik zu etablieren und zu stärken. Das Dokument „Militärstrategisches Konzept 2017“ stellt in diesem Zusammenhang klar: „Kritische Infrastrukturen und Notversorgungseinrichtungen sind besonders verwundbar. Gerade bei der Energieversorgung, der Rohstoff- und Ernährungsbasis muss schon nach wenigen Stunden mit signifikanten Engpässen gerechnet werden. Dies erfordert eine Stärkung der Resilienz Österreichs im Allgemeinen sowie des ÖBH im Speziellen, damit das ÖBH in derartigen Krisensituationen so lange wie nötig autark einsatzfähig ist.“

Zusätzlich zu diesem Konzept existieren die folgenden gültigen Dokumente:

  • Österreichische Sicherheitsstrategie (2013);
  • Teilstrategie Verteidigungspolitik (2014);
  • Grundlegende militärische Verfahren und Aufgaben im Einsatz (2015).
Zwei Soldaten nehmen ein Notstromaggregat in Betrieb. (Foto: Bundesheer/Marcel Pail)
Zwei Soldaten nehmen ein Notstromaggregat in Betrieb. (Foto: Bundesheer/Marcel Pail)

Autarkie

Eine Reihe wichtiger militärischer Anlagen sind bereits notstromversorgt. Diese Aggregate stehen jedoch nicht für die Fremdversorgung (Versorgung außerhalb des Militärs) zur Verfügung. Das Ziel ist es, auch für die Kommanden der oberen Führung Autarkie zu erreichen, was die Stromversorgung miteinschließt. Aktuell ist eine vollständige Autarkie in diesem Bereich nicht gegeben. Diese zu erreichen ist deshalb der Gegenstand eines derzeit laufenden Projektes. Ein Teil dieses Projektes ist das Sicherstellen der Kraftstoffversorgung durch Tankstellen des Bundesheeres im Falle eines Blackouts, die ohne die Stromversorgung mit Notstromaggregaten nicht möglich ist. Für die Fremdversorgung verfügt das ÖBH derzeit nur über eine geringe Anzahl von Stromaggregaten.

Notstrom für Tankstellen 

Tankstellen zählen zur Kritischen Infrastruktur Österreichs. Ohne Stromversorgung können diese jedoch keinen Kraftstoff abgeben. Derzeit gibt es keine gesetzliche Verpflichtung bei Tankstellen ein Notstromaggregat zu installieren oder eine Notstromversorgung vorzusehen. Die Eigentümer von Tankstellen sind ihren Kapitalgebern zu wirtschaftlichem Handeln verpflichtet und ergreifen daher nicht die Eigeninitiative, um eine Notstromversorgung zu installieren.

Bereits kleine (mobile) Aggregate mit einer Leistung zwischen 8 und 16 kW reichen aus, um die wesentlichen Elemente einer Tankstelle mit Strom zu versorgen. Aufgrund der technologischen Weiterentwicklung könnte die Notstromversorgung auch über eine Photovoltaikanlage in Kombination mit einem Batteriespeicher erfolgen. Bei dieser Variante gäbe es einen direkten Nutzen durch den laufenden Betrieb der Photovoltaikanlage. Diese Variante würde einerseits den Strombezug aus dem öffentlichen Netz reduzieren und damit zu einer Reduktion von Stromkosten führen und andererseits bei Ausfall der öffentlichen Stromversorgung automatisch (in Verbindung mit dem Batteriespeicher) in den Inselbetrieb gehen. Bei diesem Inselbetrieb werden nur jene Stromkreise versorgt, die als Notstromkreise festgelegt sind.

Die Projektkosten für eine stationäre Aufstellung eines Dieselaggregates betragen je Tankstelle, abhängig von Aggregatgröße und Eignung der bestehenden Elektroinstallation, etwa 10.000 bis 15.000 Euro. Im Normbetrieb haben sich Dieselaggregate aufgrund ihrer Einfachheit und Robustheit bewährt und werden daher von Fachfirmen empfohlen. Bei einer Photovoltaikanlage in Kombination mit einem Batteriespeicher ist von doppelt so hohen Kosten auszugehen. Dem steht aber die genannte Kostenreduktion und die leichte Erweiterbarkeit (Vergrößerung) der Anlage gegenüber.

Bei einem längeren Blackout ist zu vermuten, dass es zu einem Verteilungskampf um Kraftstoff kommt, der in einer solchen Situation zu einer wertvollen Handelsware auf dem Schwarzmarkt werden würde. Eine ausreichende Anzahl von notstromversorgten Tankstellen (etwa 30 Prozent) würde im Fall eines Blackouts den Druck aus der potenziell kriminellen Situation im Kampf um Kraftstoff nehmen, und die Versorgung der Bevölkerung sicherstellen. Das würde jedoch nur funktionieren, wenn auch die Tanklager notstromversorgt werden und dadurch die Anschlussversorgung sichergestellt werden kann.

Das Tanklager in Lannach bei Graz. (Foto: Bundesheer)
Das Tanklager in Lannach bei Graz. (Foto: Bundesheer)

Stromausfälle in Österreich

Die österreichische Regulierungsbehörde für die Strom- und Gaswirtschaft, E-Control, hat am 11. August 2017 die aktuelle „Ausfall- und Störungsstatistik für Österreich“ veröffentlicht. Darin steht unter anderem, dass österreichische Haushalte im Jahr 2016 durchschnittlich 24 Minuten ungeplant ohne Strom waren (ausgenommen regionale außergewöhnliche Ereignisse). Das ist international ein absoluter Spitzenwert und verzerrt möglicherweise die österreichische Wahrnehmung und das Problembewusstsein. Die Ursachen für die Nichtverfügbarkeiten wurden in verschiedenen Kategorien erfasst und ausgewertet. Beispiele dazu sind:

  • Blitze (Atmosphärische Einwirkungen);
  • Abnützung, Überalterung (Netzbetreiber intern);
  • Tiere (Fremdeinwirkung);
  • Starkregenereignis (regional außergewöhnliche Ereignisse);
  • Erzeugerausfall (Versorgungsausfall).

Atmosphärische Einwirkungen und geplante Versorgungsunterbrechungen sind die Hauptursache von Unterbrechungen der Stromversorgung. Sie haben rund doppelt so hohe Werte wie fremde Einwirkungen, netzbetreiberinterne Versorgungsunterbrechungen oder Rückwirkungsstörungen. Die Werte der Unterbrechung der Stromversorgung (siehe Abbildung 2) stellen Mittelwerte dar. Demnach kann in manchen Regionen eine Versorgungsunterbrechung auch deutlich länger als acht Stunden dauern. Größere Betreiber von Verteilnetzen verfügen zumeist über einige mobile, auf Container-Technik basierende Notstromanlagen, um im Anlassfall innerhalb weniger Stunden einzelne wesentliche Verbraucher und/oder Netzbereiche mit Strom versorgen zu können. Versorgungsunterbrechungen aufgrund eines regional außergewöhnlichen Ereignisses sind für den Netzbetreiber zwar eine Herausforderung, ihre Behebung erfolgt im Großteil der Fälle jedoch innerhalb von 24 Stunden.

Die Auswirkungen von Stromversorgungsausfällen werden in folgende Gruppen gegliedert:

  • Gefährdung der Sicherheit von Personen (Aufzüge, Beleuchtung, Belüftung, automatische Wiedereinschaltung von Anlagen etc.);
  • Schäden an Maschinen und Einrichtungen (Überhitzungen, Synchronisationsprobleme, Spannungsspitzen etc.);
  • Versorgungs- und Entsorgungsausfall (Wasser, Abwasser, Lebensmittel, Medikamente, Kraftstoffe, Bankomat, Kommunikation, Unterbrechung der Kühlkette etc.);
  • Wirtschaftliche Folgen (Materialausschuss, Lieferprobleme, Reparaturkosten etc.).
Die Anteile der Ursachen für die Unterbrechung der Stromversorgung in Österreich in Prozent. (Grafik: E-Control)
Die Anteile der Ursachen für die Unterbrechung der Stromversorgung in Österreich in Prozent. (Grafik: E-Control)
Mittlere Dauer der Unterbrechung der Stromversorgung nach Ursachen im Jahr 2016. (Grafik: E-Control)
Mittlere Dauer der Unterbrechung der Stromversorgung nach Ursachen im Jahr 2016. (Grafik: E-Control)

Folgerungen und zusätzliche Überlegungen

Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung ist für das Betreiben vieler elektrischer Einrichtungen nicht notwendig. Damit genügt ein Notstromaggregat, wenn man davon ausgeht, dass eine Versorgungslücke von maximal einer Minute akzeptabel ist. Ein wesentlicher Aspekt bezüglich der Elektroinstallation eines Notstromaggregates ist die Trennung der einzelnen Leitungsabgänge (Schaltkreise) in notstromversorgte und nicht-notstromversorgte Schaltkreise. Das kann bei bestehenden Anlagen zu erheblichen Kosten, bei der Nachrüstung von Notstromaggregaten, führen. Deshalb sollte dieser Aspekt bereits bei der Planung von Einrichtungen berücksichtigt werden.

Technisch ist bei der Notstromversorgung vor allem die wiederkehrende Spannung (nach Wiederherstellung der öffentlichen Stromversorgung) und das Drehfeld bei Drehstromaggregaten (Kraftstrom) zu beachten. Im Falle eines vorhandenen Einspeisepunktes ist daher bei Anschluss eines mobilen Notstromaggregates ein Fachmann erforderlich, um die richtigen Schalthandlungen und die richtige Drehfeldrichtung sicherzustellen. Bei stationären Aggregaten ist die Installation eines automatischen Umschalters zu empfehlen, da damit alle manuellen Eingriffe entfallen.

Exkurs: Elektrotechnische Grundlagen

Der wesentliche Unterschied zwischen Gleichstrom- und Wechselstromnetzen besteht darin, dass bei Wechselstromnetzen die so genannte Blindleistung existiert. Diese Feldenergie schwingt zwischen induktiven (Spulen) und kapazitiven (Kondensatoren) Netzelementen permanent hin und her. Die Leistung in Gleichstromnetzen entspricht der Wirkleistung von Wechselstromnetzen und besitzt die Fähigkeit mechanische Arbeit zu erbringen.

In Wechselstrom- und Drehstromsystemen besteht ein starker Zusammenhang zwischen Frequenz und Wirkleistungsbilanz sowie zwischen Spannungshöhe und Blindleistungsbilanz. Dieser Sachverhalt ist die Grundlage dafür, dass in der Praxis diese beiden Regelungen typischerweise getrennt werden. Die Wirkleistungsregelung wird als Drehzahlregelung ausgeführt. Das heißt die Drehzahl ist die Regelungsgröße (oder Führungsgröße) und hält die Erzeugung und den Verbrauch „in der Waage“ (die Summe aus Erzeugung und Verbrauch, die Wirkleistungsbilanz sollte null ergeben). Jeder Überschuss beschleunigt die rotierenden Maschinenteile (Frequenzerhöhung), jedes Defizit bremst diese (Frequenzreduktion).

Zusätzlich ist die „Stabilität“ des Inselnetzes vom Techniker zu beachten. Einerseits erlaubt es die statische Stabilität über eine bestimmte Distanz nur eine maximale Leistung in ein Netz einzuspeisen, andererseits kann die Regelung nur Laststöße einer bestimmten Größenordnung ausgleichen (dynamische Stabilität).

Das Tanklager im Salzburger Heereslogistikzentrum. (Foto: Bundesheer/HLogZ)
Das Tanklager im Salzburger Heereslogistikzentrum. (Foto: Bundesheer/HLogZ)
Die Betankungsanlage für Bundesheer-Tankfahrzeuge im Salzburger Heereslogistikzentrum. (Foto: Bundesheer/HLogZ)
Die Betankungsanlage für Bundesheer-Tankfahrzeuge im Salzburger Heereslogistikzentrum. (Foto: Bundesheer/HLogZ)
Ein Bundesheer-Tankfahrzeuge wird mit Betriebsmittel befüllt. (Foto: Bundesheer/HLogZ)
Ein Bundesheer-Tankfahrzeuge wird mit Betriebsmittel befüllt. (Foto: Bundesheer/HLogZ)
Ein Bundesheer-Tankfahrzeuge wird mit Betriebsmittel befüllt. (Foto: Bundesheer/HLogZ)
Ein Bundesheer-Tankfahrzeuge wird mit Betriebsmittel befüllt. (Foto: Bundesheer/HLogZ)

Zwangssynchronisation und Drehfeldrichtung 

Bei stationären Notstromaggregaten mit automatischer Umschaltung sind die Aspekte Zwangssynchronisation und Drehfeldrichtung durch die Anlagenkonfiguration berücksichtigt und nicht weiter zu beachten. Bei mobilen Aggregaten mit automatischer Umschaltung werden diese durch eine fachmännische erste Inbetriebnahme sichergestellt. Demnach sind die Zwangssynchronisation und Drehfeldrichtung nur bei Notstromaggregaten mit manueller Umschaltung und bei ungetesteten mobilen Geräten zu beachten.

Betriebsarten

Wird ein Wechsel- oder ein Drehstromaggregat an das öffentliche Netz angeschlossen, so speist das Aggregat mit einer definierten konstanten Leistung in das öffentliche Netz ein. Diese Betriebsart wird als Netzparallelbetrieb bezeichnet. Dabei wird die Drehzahl des Aggregates von der Frequenz des öffentlichen Netzes bestimmt. Die Regelung des Aggregats zielt auf die konstante Einspeisung einer festgelegten Stromstärke und damit einer annähernd konstante Leistung (abhängig von der Netzspannung) ab.

Versorgt ein Wechsel- oder ein Drehstromaggregat Verbraucher in einem Inselnetz, unabhängig von einem öffentlichen Netz, nennt man diese Betriebsart Inselbetrieb. Die Regelung des Aggregats zielt auf eine möglichst konstante Drehzahl (und damit auf eine möglichst konstante Frequenz) ab. Dies erreicht die Regelung, in dem sie versucht die Wirkleistungsbilanz im Inselnetz auf null zu halten. Die Regelung passt die erzeugte Strommenge dem aktuellen Verbrauch bestmöglich an. Die Frequenz im Inselnetz schwankt deutlich stärker als die Frequenz des öffentlichen Netzes.

Deutsche Soldaten errichten ein Feldlager und bauen die Notstromaggregate auf. (Foto: Bundesheer/Pehr Alexander)
Deutsche Soldaten errichten ein Feldlager und bauen die Notstromaggregate auf. (Foto: Bundesheer/Pehr Alexander)

Zwangssynchronisation

Erfolgt die Zuschaltung an die aufrechte öffentliche Stromversorgung nach dem Erreichen der Leerlaufdrehzahl ohne Synchronisationsvorrichtung, spricht man von einer Zwangssynchronisation des Aggregates. Dabei kommt es kurzzeitig zu Ausgleichsvorgängen und Drehzahlpendelungen, die zu Schäden am Aggregat führen können. Aus diesem Grund erfolgt das Zuschalten auf das öffentliche Netz mit einer Synchronisationseinrichtung.

Der gleiche Vorgang passiert, wenn nach einem Stromausfall keine (Schalt-) Maßnahmen getroffen werden und die öffentliche Stromversorgung wieder aufrecht ist (Spannungswiederkehr). Technisch gesehen wird das öffentliche Netz nun an das Aggregat geschalten. Das führt zu einem Drehzahlsprung, der mehr oder weniger stark ausfallen kann, je nachdem bei welchem Phasenwinkel und bei welcher Drehzahl des Aggregates zugeschaltet wird. Daher ist es beim Betrieb eines Notstromaggregates wichtig, das öffentliche Netz mit einem Schalter zu trennen und nach Spannungswiederkehr geordnet zu- oder umzuschalten.

Bei Einsatz einer automatischen Netzumschaltung wird dieses Problem durch die automatische Schaltvorrichtung gelöst. Manuelle Schaltungen dürfen nur von geschultem Personen (Schaltberechtigte) durchgeführt werden, um Schäden am Aggregat zu vermeiden.

Drehfeldrichtung

In einem Drehstromsystem (Stark- oder Kraftstrom) gibt es eine bestimmte Abfolge, in der die einzelnen Phasen des Dreiphasensystems ihr Spannungsmaximum erreichen. Diese Reihenfolge wird als Drehfeld bezeichnet. Dieses Drehfeld bestimmt die Drehrichtung von Drehstrommotoren. Für den Fall, dass ein Aggregat nie mit dem öffentlichen Netz in Verbindung steht und keine Drehstrommotoren in der Verbrauchergruppe vorhanden sind, ist die Drehfeldrichtung unwichtig.

Sind Drehstrommotoren in der Verbrauchergruppe und das Drehfeld (die Phasenfolge) des mobilen Notstromaggregats anders als das Drehfeld der öffentlichen Stromversorgung (zwei mögliche Drehrichtungen), drehen sich die Drehstrommotoren in die entgegengesetzte Richtung. Wird ein mobiles Notstromaggregat an das öffentliche Netz angeschlossen und ist die Drehfeldrichtung nicht korrekt, kommt es zu schweren Schäden am Notstromaggregat, da sich der Generator in die andere Richtung drehen möchte als der Antriebsmotor.

Link Teil 2

Major Dipl.-Ing. Dr. Josef Bogensperger ist Verbindungsoffizier zu Energieversorgungsunternehmen beim Militärkommando Niederösterreich. Im Zivilberuf ist er bei der VERBUND Trading GmbH für Energiemarkt- und Finanzmarktregulierung zuständig.

 

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