USV Technologien im Vergleich
Zuverlässige Energieversorgung war immer einer der wichtigsten Wachstumskriterien in der Industrie. Bis heute ist eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) ein entscheidender Faktor geblieben; die Ausfallsicherheit ist bei vielen kritischen und anspruchsvollen Anwendungen oft unbezahlbar. Stellt sich nur die Frage: Welche ist die richtige USV-Technologie für die jeweilige Anwendung?
War die Arbeitswelt bis vor Kurzem noch strikt zwischen IT und Produktion getrennt, hat die Digitalisierung heute nahezu alle Prozesse durchdrungen. Digitale Komponenten kontrollieren, analysieren und optimieren nahezu alle Industriesektoren. Das spart Kosten, beschleunigt Prozesse und verbessert die Produkte.
Doch mit steigender Vernetzung einhergehend, ist die Industrie anfälliger gegenüber Netzschwankungen und Stromausfällen. Damit keine wichtigen Daten verloren gehen, empfindlichen Anlagen ein Defekt droht, teure Maschinen ausfallen, die Umwelt oder gar die Sicherheit von Menschen gefährdet ist, stellt eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) bei Störungen im Stromnetz die Versorgung kritischer Anwendungen sicher.
Größere Stromausfälle kommen in Westeuropa relativ selten vor. Durch das Schalten großer Ströme entstehen aber ständig ungewollte Rückwirkungen im Stromnetz. So rufen Kurzschlüsse und Einschaltströme oder größere Elektromotoren Spannungsabsenkungen hervor. Spannungsanhebungen treten durch das Abschalten großer Lasten oder durch entfernte Blitzeinschläge auf.
Die Energieversorger regeln die Netzspannung und die Netzfrequenz an den Einspeisepunkten ins Stromnetz zwar ständig nach, gleichen dadurch jedoch nur die Summe der Störungen aus. Eine USV gleicht lokale Schwankungen und Ausfälle aus, indem sie angeschlossene Geräte mit elektrischer Energie aus Batterien speist, die kontinuierlich aus dem Stromnetz nachgeladen werden.
Alle kritischen Verbraucher sichern
Diese Batterien stellen ausreichend lange Strom bereit, um die Lücke zu schließen – entweder bis die Netzstromversorgung wiederhergestellt ist oder ein Generator anläuft. Das USV-System liefert selbst in solchen Situationen idealen Strom, in denen die Eingangsleistung von schlechter Qualität ist, wie z. B. bei Unterspannungen, Überspannungen, Schwankungen der Eingangsfrequenz, Oberwellen oder Spannungsspitzen.
Abweichungen und Aussetzer in der Stromversorgung treten viel häufiger auf als Allgemein vermutet. Die Konsequenzen sind Rechnerabstürze, Datenverlust und kostenintensive Ausfälle von Betriebsmitteln. Eine unterbrechungsfreie Gleichstrom- oder Wechselstromversorgung benötigen daher alle Industriesektoren, die kritische Verbraucher sichern müssen.
USV-Geräte finden in Krankenhäusern, Kraftwerken und Industrieanlagen, Leitstellen im Verkehrswesen oder in Rechenzentren Verwendung, mittlerweile ebenso in Büros oder im vernetzten Privathaushalt. Eine einwandfreie Stromversorgung ist unverzichtbar, um einen reibungslosen Betrieb und eine ausreichende Datenabsicherung zu gewährleisten. Unterschiedliche USVs berücksichtigen dabei verschiedene Sicherheitslevels und spezifische Anforderungen der jeweiligen Anwendung.
Die Qual der Wahl: Monoblock oder modulare USV
Die wichtigsten Kriterien einer USV sind Energieeffizienz, Dimensionierung, Wartung, Belastbarkeit und Zuverlässigkeit, zukünftige Skalierbarkeit und natürlich die Kosten. Als Betriebsmittel ist es wichtig, die Gesamtbetriebskosten zu berücksichtigen. Sie sollten die Kosten des Kaufs beinhalten, einschließlich USV und Batteriesystem sowie die Kosten für die erforderliche Infrastruktur, inklusive Schaltgeräte, Kabel, Generator, etc.
Darüber hinaus müssen die jährlichen Betriebskosten für Wartung, Verschleißteile, Strompreis und Energieeffizienz berücksichtigt werden. Schließlich hat ein typisches USV-System eine Betriebsdauer von 10 bis 15 Jahren und mehr. Die Wahl der USV-Technologie zwischen herkömmlichen Monoblock- und modularen USV-Systemen, transformatorlosen oder transformatorbasierten USV kann dadurch erhebliche Unterschiede aufweisen.
Prinzipiell sind Monoblock- und modulare USV-Systeme unterschiedliche Lösungen für den gleichen Anwendungsbereich. Im industriellen Einsatz befinden sich derzeit etwa 80% Monoblöcke, 15% modulare USV und 5% integrierte Schaltschrank-Lösungen. Das modulare Konzept stammt aus dem Telekommunikationsmarkt und ist daher in Rechenzentren und anderen IT-Anwendungen sehr beliebt. Aktuell gewinnen Modulare USV auch in industriellen Anwendungen an Bedeutung.
Monoblocks bei genau definierter Infrastruktur
Monoblock-USV werden in der Regel als transformatorbasierte Versionen für Industrieanwendungen angeboten. Die Hauptvorteile sind schnell zusammengefasst: Sie sind extrem zuverlässig und besonders wirtschaftlich. Der integrierte Transformator sorgt für eine vollständige galvanische Trennung zwischen Stromquelle und Verbraucher. Im Störungsfall genauso wie bei Netzspannungsstörungen stellt die solide und fehlertolerante Konstruktion eine stabile Versorgung sicher. Die bewährte Technologie bietet maximale Robustheit und souveräne Stromversorgung für kritische Anwendungen selbst in rauen Einsatzgebieten. Denn die Industrie-USV werden meistens mit einem äußerst widerstandsfähigen Gehäuse kombiniert, das gegen Staub, hohe Temperaturen usw. beständig ist.
Monoblock-USV sind eigenständige Systeme mit geringer Flexibilität hinsichtlich Dimensionierbarkeit der Leistung und zukünftiger Skalierbarkeit. Sie können in diskreten Größen von weniger als 10 kVA bis zu 1000 kVA betrieben werden. Ein Monoblock-System kann dabei einzeln oder in Parallelschaltung zur Leistungs- bzw. Redundanzerhöhung arbeiten, um die Ausfallsicherheit für mehrere MVA zu gewährleisten.
Abhängig von der USV-Konstruktion enthalten die Systeme einen internen Wartungs-Bypass-Schalter. Alternativ lässt er sich in die entsprechend dimensionierte Schaltanlage einbauen. Die Schaltanlage und die Verkabelung müssen vom ersten Tag an fertig installiert sein. Die USV kann zwar auch mit weniger als der optimalen Last betrieben werden, das führt allerdings zu einer geringeren Energieeffizienz und somit höheren Gesamtbetriebskosten.
Modulare USV für genaue Skalierbarkeit
Modulare USVs sind in der Regel transformatorlos und somit hoch effizient. Sie bestehen aus mehreren parallel arbeitenden USV-Modulen sowie einem zentralen Bypass-Modul und Batterieanschluss. Alle Module haben die gleiche Nennleistung und können problemlos hinzu- bzw. abgeschaltet werden. So erlaubt das modulare Konzept, die USV-Leistung flexibel an die individuellen Leistungsbedürfnisse anzupassen. Damit arbeitet die Anlage mit optimalen Wirkungsgrad.
Die einzelnen Module sind hot-swappable – also bei laufendem Betrieb auswechselbar. Die verbundenen Module erkennt das USV-System automatisch und Systemerweiterungen lassen sich minutenschnell vornehmen. Dadurch ist die Wartung einfacher: Es muss jeweils nur ein Modul entnommen und anschließend wieder installiert werden. Dies hat den Vorteil, dass alle Verbraucher selbst während der Wartung einzelner Module weiterhin durch die USV geschützt sind.
Die Systemleistung und die Redundanz hängen von der Anzahl der Module ab. Die automatische Lastverteilung auf alle Module innerhalb eines Systems sorgt für eine modulare n+x Redundanz, die sogar zur Lasterhöhung genutzt werden kann. Bei einem Ausfall verteilt das System die Last automatisch auf die übrigen Module und meldet den Ausfall direkt an einen Techniker. Diese inhärente Redundanz spart Platz und erhebliche Kosten, weil kein weiteres, redundantes USV-System erforderlich ist wie bei Monoblocks.
Die Spezifikation des Kunden entscheidet
Beide Arten von USV-Systemen können hohe Betriebseffizienzen von bis zu 95,5% und sogar von 98 bis 99% im ECO-Modus erzielen. Modulare USV-Systeme bieten meistens einen Leerlauf- bzw. Ruhezustand für nicht verwendete Module, was die Betriebseffizienz verbessert. Bei der Auswahl einer USV-Technologie sind jedoch viele Faktoren zu berücksichtigen. Ein umfassender Ansatz ist wichtig, der sowohl die Investitionskosten als auch die Gesamtbetriebskosten für die gesamte Lebensdauer berücksichtigt. Entscheidend sind aber auch die Einsatzbedingungen, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit, was vielfach auf die Frage USV mit oder ohne Transformator hinausläuft.
Eine transformatorbasierte USV bietet höchste Robustheit für industrielle Anwendungen. Transformatoren bieten zudem galvanischen Schutz und kompensieren eine schlechte Netzqualität. Transformatorlose USV haben dagegen einen höheren Wirkungsgrad und sind kleiner und leichter.
„Es kommt auf die Aufgabe an“, erklärt Juha Lantta, Produktmanager für Modulare USV bei AEG Power Solutions. „AEG bietet deshalb sowohl Monoblock- als auch modulare Lösungen an, transformatorbasierte und transformatorlose, um den tatsächlichen Bedürfnissen der Kunden gerecht zu werden.“
„Es gibt keine bessere oder schlechtere Technologie. Die Spezifikation des Kunden definiert, welche Technologie passt“, bestätigt Alain Boussant, Vertriebsleiter bei AEG Power Solutions. „Das Konzept der Sicherung der kritischen Lasten sollte daher während des Entwurfs der Infrastruktur und der Gesamtanlage entwickelt werden.“
Außerordentliche Zuverlässigkeit an extrem rauen Einsatzorten
Bei der Wahl einer USV müssen die Entscheider Risiken und Kosten aber auch Prognosen für die Zukunft berücksichtigen. Bis vor kurzem gab es allerdings bei hochriskanten Einsatzgebieten keine Wahl, die Unternehmen mussten sich für eine transformatorbasierte Monoblock-USV entscheiden. „Selbstverständlich benötigen kritische Anwendungen in der Öl- und Gasindustrie oder in der Petrochemischen bzw. Chemischen Industrie eine 100% zuverlässige Stromversorgung, allein um Menschen und die Umwelt zu schützen“, erläutert Alain Boussant. „Genau dafür haben wir eine modulare USV entwickelt, die mit einem Transformator ausgestattet ist und die Vorteile von beiden USV Systemen vereint.“
„Es gibt einige heikle Anwendungsgebiete etwa bei der Energieerzeugung“, ergänzt Juha Lantta. „Die Sicherung muss redundant und robust sein und sollte aber gleichzeitig eine lange Lebensdauer bei minimierten Betriebskosten bieten. Unsere hybride Lösung, also eine transformatorbasierte modulare USV, lässt sich leicht erweitern und ist trotzdem unempfindlich gegenüber einer besonders harschen Umgebung. Hohe Luftfeuchtigkeit, schwankende Extremtemperaturen, Salz oder Staub auf Bohrinseln oder an der Küste, das ist alles kein Problem mit Protect Flex.“
AEG PS hat die neue vollmodulare USV nach Industriestandard entwickelt, um den steigenden Anforderungen von Industrieanlagen gerecht zu werden. Sie müssen eine kompakte Stellfläche haben, ein hohes Maß an Zuverlässigkeit bieten und souverän in ungeschützten Umgebungen arbeiten. Protect Flex profitiert dabei von der langjährigen Erfahrung von AEG Power Solutions in der Entwicklung robuster Systeme und ermöglicht so eine höchstmögliche Zuverlässigkeit bei optimaler Verfügbarkeit. Die Betriebskontinuität erreicht das System durch hochwertige, bewährte Komponenten und einen soliden Aufbau, während die modulare Struktur die Reparaturzeiten minimiert. Die skalierbare Architektur reduziert die Investitionskosten und optimiert die Betriebskosten.
Erschienen in netzpraxis