Netzersatzaggregat des KKH Wolfhagen

Wie haben wir uns doch an die ständige Verfügbarkeit unseres elektrischen Stroms gewöhnt? Er ist immer da und wir schalten Geräte einfach ein, die Waschmaschine, den Kaffee-Vollautomat, das Radio und auch den Fernseher; neuerdings laden wir auch unsere E-Autos damit auf! Was aber, wenn der Strom mal ausfällt, weil z. B. ein Bagger aus Unkenntnis ein Kabel zerreißt?

Auch ein Leistungsschalter, ein Spannungswandler, ein Transformator oder ein anderes Bauteil in einem Umspannwerk könnte ausgefallen sein (alles hier im TMK mit Erläuterungen zu besichtigen). Die durchschnittliche Ausfallzeit elektrischen Stroms beträgt in Deutschland zwar pro Kunde und Jahr nur ca. zwölf Minuten, im Einzelfall kann das aber auch Stunden dauern. Für Versammlungsstätten und ganz besonders für Krankenhäuser könnte das sehr kritisch werden, wenn man an Infusionsgeräte, Herz-Lungen-Maschinen und Operationssäle denkt.

Und daher haben derartige Objekte wie das Kreiskrankenhaus Wolfhagen ein Netzersatzaggregat, umgangssprachlich auch Notstromaggregat genannt. Seit Anfang der 70-er Jahre des vergangenen Jahrhunderts stand es dort in 24-stündiger Bereitschaft. Seit 2020 ist es wegen Austauschs durch ein neues Aggregat in unserem Besitz und wird seit diesem Sommer im TMK ausgestellt und erläutert. Wie bei jeder Stromerzeugung muss es durch Umwandlung einer Primärenergie (z. B. Wasserkraft durch fließendes Wasser, Kohle durch Verbrennung über Dampferzeugung, Wind und Photovoltaik scheiden hier aus technischen Gründen aus) angetrieben werden und kann dann generatorisch Strom liefern – genauer gesagt eine Energieumwandlung aus einer über viele Stunden verfügbaren Primärenergie durchführen. Bei unserem Exponat ist es chemisch gebundene Energie in Form von Dieselkraftstoff, mit dem ein Dieselmotor betrieben wird.

Symbolische Darstellung der Energieumwandlung von Dieselkraftstoff als Primärenergie über einen Verbrennungsmotor, der über den Antrieb eines Generators elektrischen Strom zur Versorgung von "Verbrauchern" mit Motoren, Beleuchtung etc. liefert

Ein 6-Zylinder-Dieselmotor von Henschel in Kassel mit einer DIN-Leistung von 276 kW, für Netzersatzbetrieb eingestellt auf 304 kW, mit Kraftstoff versorgt durch einen direkt daneben stehenden 2000-Liter-Tagestank, trieb einen 310-kVA-Generator der südhessischen Firma A. v. Kaick an und dieser versorgte alle bei der Planung festgelegten Bereiche des Krankenhauses nach Abtrennung der Einspeisung durch das Energieversorgungsunternehmen, vermutlich die Stadtwerke Wolfhagen. An dem Dieselmotor sind – gut zu besichtigen wie bei einem Pkw oder Lkw – alle Nebenaggregate angebaut, die für den Betrieb erforderlich sind. Er hat einen leistungsstarken elektrischen 24-V-Anlasser wie im Lkw, eine Kraftstoff-Förderpumpe für die Ansaugung des Diesels aus dem Tank, eine Reihen-Einspritzpumpe für die Kraftstoff-Versorgung der sechs Zylinder, zur Leistungserhöhung einen Turbolader für die Ladeluftkomprimierung und einen Ladeluftkühler zur Absenkung der durch die Komprimierung entstandenen Temperaturerhöhung. Zur Abführung der hohen Verlustwärme des Motors bei der Kraftstoffverbrennung hat er einen elektrisch angetriebenen Wasserkühler, aus Platzmangel im TMK nicht ausgestellt. Auch das Motor-Schmieröl wird gekühlt und zwar im Nebenstrom mit dem rückgekühlten Motor-Kühlwasser. Damit das Aggregat weitestgehend sicher und verschleißfrei anläuft hat es eine Kühlwasser-Vorwärmung mit 230 V und eine Drehstrom-Lichtmaschine zur Wieder-Aufladung der beim Start aus dem 24-V-Akku entnommenen Energie.

Symbolische Darstellung des aus dem Brennstoffverbrauch ermittelten Wirkungsgrades des Dieselmotors und des realistisch geschätzten Wirkungsgrades des Generators 

Ohne hier auf Einzelheiten thermodynamischer Prozesse wie der Umwandlung von Dieselkraftstoff über einen Dieselmotor mit allen seinen Nebenaggregaten und damit verbundenen Verlusten einzugehen, die über das Motor-Kühlwasser abgeführt werden müssen, und auch den Generator mit seinen vergleichsweise sehr geringen Verlusten zu betrachten: Für den Motor mit einem Hubraum von 15,35 Litern, damit gut 2,5 Liter pro Zylinder so viel wie ein starker Pkw-Motor insgesamt als Hubraum hat, ist laut Herstellerhandbuch ein Verbrauch von 165 g/PSh (also Gramm Kraftstoff pro PS und Stunde) angegeben. In unserer ausführlichen Exponatbeschreibung, kostenfrei downloadbar beim Besuch des TMK, ist der komplette Rechengang angegeben und weist bei z. B. einer konstanten elektrischen Belastung mit nur 150 kW einen Kraftstoffverbrauch von 42,2 Litern je Stunde aus, minütlich also etwas weniger als in eine übliche Weinflasche passt. Dieselkraftstoff bitte nicht trinken!

Längsschnitt durch den Motor mit versetzten Schnittebenen mit unten der Ölwanne für minimal 40 Liter, maximal 55 Liter Motorschmieröl und links daneben die Zahnradpumpe für den Schmierölkreislauf, über der Schmierölansaugung die Nockenwelle mit den über Rollenstößeln angetriebenen Stoßstangen zur Ventilsteuerung, die Kurbelwelle mit den Pleuellagern für die Kolben in den sechs Zylindern und rechts daneben die Schwungscheibe, darüber die sechs Zylinder und oben die sechs Zylinderköpfe mit der Ventilsteuerung und die Kraftstoff-Einspritzdüsen

Oben ist dargestellt der Längsschnitt durch den Motor von seiner rechten Seite. Rechte Seite bedeutet ein frontaler Blick auf die Riemenscheibe (links dargestellt) für den Antrieb der Kühlwasserpumpen. Leicht zu erkennen sind die Kurbelwelle und und die Kolben in den Zylindern mit unterschiedlicher Stellung: Die Zylinder werden von rechts gezählt. Der Zylinder 1 ist in seiner obersten Stellung mit den erkennbaren Vertiefungen im Kolben für die Komprimierung der Verbrennungsluft, der Zylinder 2 in seiner untersten Stellung. Da die Schnittebene nicht mittig durch den Motor verläuft, um auch die untenliegende Nockenwelle mit ihren Rollenstößeln und Stoßstangen sowie die Ventile in den Zylinderköpfen darzustellen, ist für manchen Besucher dieser Seite sicherlich der Anblick etwas verwirrend. Lassen Sie sich daher die Details von unseren ehrenamtlichem Aufsichtspersonal erläutern oder bestellen Sie eine Führung bei uns.

Wegen der Übersichtlichkeit der Grafik wurden beide Maschinen nur zweipolig, also mit je einem Nordpol N und Südpol S dargestellt und selbstverständlich handelt es sich auch bei beiden Maschinen nicht – wie bei der Erfindung von Werner Siemens in 1866 für Gleichstrom – um einen Doppel-T-Anker, sondern um verteilte Trommelwicklungen in Nuten der rotierenden 100-Hz-Drehstromwicklung der Erregermaschine G und der rotierenden Erregerwicklung wie der stehenden 50-Hz-Drehstromwicklung des Synchrongenerators GS. Nur die acht Außenpole der Erregermaschine G erinnern an den Doppel-T-Anker

Auch der Drehstrom-Synchron-Generator GS ist einen Blick wert: Es handelt sich um eine vierpolige bürstenlose Innenpol-Maschine für 50 Hz mit auf der gleichen Generatorwelle aufgebauter achtpoliger Außenpol-Erregermaschine G, dessen Drehstrom mit 100 Hz bei 1.500 Umdr./min mit angebauten rotierenden Silizium-Dioden gleichgerichtet und den Innenpolen des Drehstrom-Synchron-Generators als Erregung zugeleitet wird. Warum 100 Hz bei der Erregermaschine? Sie baut bei gleicher Erregerleistung aufgrund der doppelten Frequenz kleiner und die Zahl der Pole steht bei fester Drehzahl auch in festem Zusammenhang mit der Frequenz. Selbstverständlich handelt es sich auch beim Synchrongenerator GS nicht wie bei der Erfindung von Werner Siemens in 1866 um einen Doppel-T-Anker für Gleichstrom, sondern um eine verteilte Trommelwicklung. Hier unten ein Blick in Innere der Maschine mit gut sichtbar einigen Außenpolen der Erregermaschine G und durch diese verdeckt die 50-Hz-Drehstromwicklung des Synchrongenerators GS.

Hier ein Blick ins Innere der Maschine: Nach Abnahme des Deckels auf dem hinteren Lagerschild werden von unten nach oben sichtbar die graue rotierende Scheibe mit zwei der sechs Silizium-Dioden in Sechspuls-Drehstrom-Brückenschaltung, knapp darüber die rotierende 100-Hz-Drehstrom-Wicklung der Erregermaschine G, darüber vier der acht stehenden Außenpole der Erregermaschine (der fünfte links ist leicht verdeckt durch die Zuleitungen zum Spannungsregler im Generator-Klemmenkasten) und darüber die stehende Drehstromwicklung des Synchrongenerators GS. Die rotierenden Innenpole der Synchrongenerators sind nicht zu sehen. 

Warum wurde nun das Netzersatzaggregat aus dem ehemaligen Besitz des KKH Wolfhagen dem Teilgebiet Primärenergie-Umwandlung des Sammlungsgebiets Elektrische Energietechnik zugeordnet? Zwar sind die meisten aller derartigen Aggregate Niederspannungs-Maschinen für 230/400 V und daher könnte unser Exponat diesem Teilgebiet zugeordnet werden. Es gibt aber auch Mittelspannungsausführungen größerer Leistung, wie sie der Autor dieses Artikels als Projektleiter der Herstellerfirma in den 70-er Jahren mit drei Maschinen für insgesamt 4,2 MVA bei Mittelspannung für ein Groß-Klinikum in Göttingen ausgeführt hatte. Daher könnten diese Aggregate der Mittelspannungstechnik zugeordnet werden.

Es muss aber immer wieder betont werden: Elektrische Energie wird nicht "erzeugt", sondern durch Umwandlung aus einer anderen Energieform "gewonnen"! Im Fall des Netzersatzaggregates also durch Verbrennung von Dieselkraftstoff in einem Verbrennungsmotor und – als anderes Beispiel – in einem Speicherkraftwerk wie am Edersee durch das Abfließen von aufgestautem Wasser durch eine Turbine. 

Und noch eine Bemerkung zur Bürstenlosigkeit: Früher wurde die zur Magnetbildung erforderliche Energie über schleifende Kohlebürsten auf Messingringen übertragen, zweifellos verschleißbehaftet. Die Erzeugung eines Magnetfeldes in den Rotoren von Drehstrommaschinen ist über eine verschleißfreie Außenpol-Erregermaschine auf der gleichen Welle betriebssicherer. Auch sehr große Generatoren wie beispielsweise in jetzt zunehmend außer Betrieb genommenen Kernkraftwerken arbeiten mit Spannungen bis etwa 30 kV nach einem vergleichbaren, regelungstechnisch aber aufwendigerem Prinzip.

Grafiken: Helmut Lotz und Wolfgang Dünkel, beide TMK

Text und Bilder: Wolfgang Dünkel, TMK

(last update 14.09.2022)

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