Messtechnik für Energiereserven und Netzstabilität

Moderne Stromnetze durchlaufen den tiefgreifendsten strukturellen Wandel seit einem Jahrhundert. Da volatile erneuerbare Energien die thermische Grundlasterzeugung ersetzen, ist der Abstand zwischen Spitzenangebot und einem kritischen Frequenzeinbruch auf wenige Sekunden geschrumpft. Um die Netzfrequenz innerhalb der vorgeschriebenen Toleranzen zu halten, werden Sekundär- und Tertiärreserven benötigt, die sofort reagieren können.

Doch während Netzbetreiber den Ausbau von Batteriespeichersystemen (BESS), Schwungradspeichern, Pumpspeicherkraftwerken und gravitationsbasierten Energietürmen beschleunigen, wird eine technische Wahrheit unübersehbar: Die mechanische Integrität begrenzt die Kapazität der Energiereserven grundlegend.

Energiereserven versagen nicht allein in Software-Algorithmen oder elektrischen Verbindungen. Sie versagen, wenn die physikalische Ausdehnung die strukturellen Separatoren einer Batterie zerdrückt, wenn ein zu hohes Wellendrehmoment die Kupplung eines Schwungrads abschert oder wenn ungleichmäßige Seilspannung ein Schwerkraft-Hubwerk destabilisiert. Um katastrophale Ausfälle zu verhindern und ständige Einsatzbereitschaft sicherzustellen, sollten Sie sich von indirekten Modellen lösen und die mechanische Belastung direkt am Lastpunkt messen. Interface bietet Lösungen für das Energiereservemanagement, darunter Kraftaufnehmer, Drehmomentaufnehmer, ATEX-Sensoren für explosionsgefährdete Bereiche, Lastbolzen, Zuglaschen und Lastschäkel sowie drahtlose Telemetrieprodukte.

Warum die physikalische Kraft das früheste Warnsignal ist

Indirekte Überwachung, etwa die Messung von Ladezustand (State of Charge, SoC), Spannungsabfall oder Umgebungstemperatur, hinterlässt blinde Flecken. Ein Lithium-Ionen-Rack im Netzmaßstab kann ausgeglichene Zellspannungen aufweisen und gleichzeitig enorme mechanische Quellkräfte auf die Halteplatten seiner Module ausüben. Bis indirekte Indikatoren eine thermische Anomalie melden, sind Mikrorisse, Separatorversagen und irreversible innere Schäden bereits entstanden.

Die direkte Messung von Kraft, Last und Drehmoment macht unsichtbare physikalische Vorgänge zu verwertbaren Daten, bevor ein Alarmgrenzwert überschritten wird – wie die folgenden drei Beispiele zeigen.

#1 Thermische und ausdehnungsbedingte Drift ausschließen – Industrielle Kraftsensoren erfassen kleinste Veränderungen der mechanischen Belastung, selbst bei zyklischen Temperaturschwankungen von -40 °C bis über 80 °C.

#2 Dynamische außermittige Belastungen beherrschen – Mechanische Speichersysteme arbeiten in Umgebungen mit starken Vibrationen, Querkräften und erheblichen elektromagnetischen Störungen (EMI) durch benachbarte Wechselrichter und Aufspanntransformatoren.

#3 Vorausschauende Wartung statt Betrieb bis zum Ausfall – Kontinuierliche Lastprofilierung ersetzt feste Inspektionsintervalle durch zustandsorientierte Wartung und überprüft Schraubenvorspannungen, Seilzustand und strukturelle Haltelasten in Echtzeit.

Energiespeicher und Reservemanagement mit Interface

Hochgeschwindigkeits-Schwungradspeicher: Drehmomentprüfung an Rotorwelle und Lagern

Schwungradspeicher (Flywheel Energy Storage Systems, FESS) liefern Primärregelleistung, indem sie Rotoren aus Verbundwerkstoff oder Stahl mit hohen Drehzahlen rotieren lassen. Der Wechsel vom Strombezug aus dem Netz zur Rückspeisung verursacht eine schnelle Winkelbeschleunigung und starke Torsionsbelastung der Antriebswelle.

• Sensorlösung: Rotierende und Reaktions-Drehmomentaufnehmer wie der Interface T2 Ultra Precision Shaft Style Rotary Torque Transducer oder die Serie AxialTQ™ Wireless Rotary Torque Transducer System, kombiniert mit Mehrachsensensoren.
• Umsetzung: Rotierende Drehmomentsensoren werden zwischen dem schnelllaufenden Motor-Generator und der Rotorwelle platziert, während Mehrachsensensoren unter den Gehäusen der aktiven Magnetlager sitzen und radiale sowie axiale Vorspannungen erfassen.
• Technischer Nutzen: Die dynamische Drehmomenterfassung in Echtzeit bestätigt den Rotationswirkungsgrad und erkennt frühzeitig Rotorunwuchten oder eine Verschlechterung der Magnetlager. Die direkte Überwachung der mechanischen Belastung verhindert ein katastrophales Festfressen bei hoher Drehzahl und schützt die teuren, vakuumdichten Rotorgehäuse.

Gravitationsspeicher: Seilspannung an mehreren Punkten und Lastausgleich

Gravitationsspeicher nutzen massive Blöcke aus Verbundwerkstoff oder Beton, die oft mehrere Tonnen wiegen. Sie werden mit automatisierten Winden senkrecht angehoben und bei Spitzenbedarf abgesenkt, um Motor-Generatoren anzutreiben. Außermittige Lasten oder eine ungleichmäßige Spannungsverteilung auf mehrsträngige Hubvorrichtungen können zu Fehlausrichtungen der Kranschienen, Materialermüdung oder Seilversagen führen.

• Sensorlösung: Zuglaschen, Lastbolzen und gekapselte Lastschäkel für hohe Lasten.
• Umsetzung: Lastbolzen werden direkt in Seilrollen, Gabelgelenke oder Drehpunkte des Windenhubwerks eingebaut, und die WTSTL Wireless Tension Load Link wird in die Hubseile eingesetzt.
• Technischer Nutzen: Mit mehrkanaligen Komponenten eines drahtlosen Telemetriesystems überwachen Betreiber die Lastanteile der einzelnen Seile gleichzeitig, ohne sperrige Kabel an hohen Hubmasten verlegen zu müssen. Verursachen starker Wind oder Lastverlagerungen ein Ungleichgewicht jenseits der Toleranz, kann die Steuerung des Hubantriebs die Windengeschwindigkeiten innerhalb von Millisekunden anpassen und die Last stabilisieren.

Pumpspeicherkraftwerke: Stellkraft der Druckrohrleitungsventile

Pumpspeicherkraftwerke sind nach wie vor das Arbeitspferd der weltweiten Langzeitspeicherung. Für einen schnellen Einsatz müssen riesige Absperrorgane der Druckrohrleitung (etwa Kugel- oder Drosselklappen) gegen Hunderte Meter Fallhöhe öffnen. Übermäßige Dichtungsreibung, Sedimentablagerungen oder hydraulisches Ungleichgewicht können die erforderlichen Stellkräfte über den Sicherheitsfaktor der Antriebsstange hinaus erhöhen.

• Sensorlösung: Dauerfeste LowProfile® Kraftaufnehmer der Serie 1000 und Universal-Kraftaufnehmer aus Edelstahl.
• Umsetzung: Die Kraftaufnehmer werden direkt in Linie mit den Schubstangen der Hydraulikantriebe angeordnet, die die Absperrorgane der Druckrohrleitung betätigen.
• Technischer Nutzen: Die momentkompensierte Bauweise der LowProfile-Kraftaufnehmer unterdrückt störende Seitenlasten durch turbulente Strömung und misst die reine axiale Stellkraft. Instandhaltungsteams können die Kraftsignaturen im Betrieb über die Zeit vergleichen und die Ventilwartung nach dem tatsächlichen mechanischen Verschleiß statt nach starren Kalenderintervallen planen.

Batteriespeichersysteme (BESS): Profilierung der Zellausdehnung

Lithium-Ionen-Pouch- und prismatische Zellen dehnen sich beim Laden und Entladen physikalisch aus und ziehen sich wieder zusammen (Interkalation). Über Hunderte von Lastzyklen führt die fortschreitende Alterung zu einer dauerhaften Volumenzunahme. In dicht bestückten Rack-Gehäusen übt diese Ausdehnung kumulierte Kräfte von mehreren Tonnen auf die Halteplatten aus – mit dem Risiko einer Separatordurchdringung, interner Kurzschlüsse und eines thermischen Durchgehens.

• Sensorlösung: Miniatur-Kraftaufnehmer wie die Interface Serien WMC oder LBM sowie hochpräzise LW-Kraftmessscheiben.
• Umsetzung: Kraftmessscheiben werden direkt in die Spannschrauben der Zuganker oder zwischen die Druckplatten der Modulpakete integriert, während Miniatur-Knopfkraftaufnehmer an wichtigen Zellgrenzflächen sitzen.
• Technischer Nutzen: Diese Aufnehmer liefern auch auf engstem Raum eine Auflösung im Mikrodehnungsbereich. Die kontinuierliche Telemetrie erkennt ungewöhnliche, nichtlineare Kraftanstiege und identifiziert geschädigte Zellen Wochen bevor Spannungsanomalien eine Abschaltung durch das Batteriemanagementsystem (BMS) auslösen.

VIDEO: Erfahren Sie mehr über Fortschritte bei Batterien und Energiespeichern.