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Energiemanagement mit USV-Systemen

Die Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) ist ein wesentlicher Bestandteil der Stromversorgungsinfrastruktur von Industrie- und Gewerbeeinrichtungen sowie für komplexe Funktionsgebäude wie Rechenzentren, Krankenhäuser und Verkehrsleitwarten. Für USV-Systeme spielt neben dem Begriff ‚Effizienz‘ besonders die gebotene Sicherheit beim Energiemanagement eine große Rolle. Im Folgenden soll daher die Wechselwirkung von Effizienz und Sicherheit aufgezeigt und diskutiert werden.
1. Stromversorgung beim Gebäudemanagement

Um den effizienten Einsatz der elektrischen Energie zu erreichen, ist bereits bei der Planung der Versorgungswege eine klare Aufteilung der elektrischen Verbraucher, entsprechend den Sicherheitsanforderungen, wichtig. Die Gebäudeeinspeisung erfolgt bei der allgemeinen Stromversorgung (AV) entweder über einen direkten Anschluss an das öffentliche Netz (in der Regel bis 300kW bei 400V) oder über das Mittelspannungsnetz (bis 52kV) über Verteiltransformatoren bis 2MVA. Für die Netzersatzversorgung (Netzersatzanlage NEA) wird entsprechend der zulässigen Unterbrechungszeit nach Sicherheitsversorgung (SV) und Unterbrechungsfreie Stromversorgung durch USV-Systeme unterschieden. Ein interessantes Beispiel liefert die Klimatisierung im Rechenzentrum. Grundsätzlich führt eine Unterbrechung der Stromversorgung für Klimageräte zu keinen Schwierigkeiten, wenn der Generator für die Sicherheitsstromversorgung (SV) wie geplant binnen 10 oder 15 Sekunden startet. Aber falls der Generator nicht anspringt, kommt es unter Umständen auf der SV-Schiene zu Problemen. Durch den Ausfall der Klimatisierung im Rechnerraum könnten die Computer, Plattensysteme und Server während des Shutdowns überhitzen und schlimme Hardwaredefekte die Folge sein. Also macht eine zumindest teilweise Einordnung der Klimatisierung zur USV-Schiene Sinn. Trotzdem kann durch geschicktes Energiemanagement bei der USV-Absicherung ein Effizienzvorteil erzielt werden. Moderne USV-Geräte bieten über digitale Regelung und den statischen Bypass-Schalter die Möglichkeit, einen sogenannten ‚Digital-Interactive-Mode‘ für Klimageräte zu nutzen. Dabei werden die Klimageräte, unter Umgehung der verlustbehafteten USV-Leistungselektronik, direkt über das Netz versorgt. Und durch die USV-Überwachung wird bei Problemen mit dem Stromversorgungsnetz unterbrechungsfrei auf den bereitstehenden sicheren USV-Pfad umgeschaltet.

2. USV-Aufbau – Sicher und effizient

Jedes Glied in der Stromversorgungskette zum Verbrauchersystem hin verursacht Kosten bei der Beschaffung und beim Betrieb; sei es durch Verluste oder für den Service und die Überwachung. Da im Folgenden von einer unterbrechungsfreien Stromversorgung ohne Lücke (Unterbrechung = 0ms) ausgegangen wird, wird die Versorgungsspannung durch die Leistungselektronik der USV zweimal gewandelt. Der Gleichrichter macht aus der Eingangswechselspannung eine Gleichspannung, durch die sowohl die Batterie im DC-Zwischenkreis geladen werden kann, als auch im Normalbetrieb der Wechselrichtereingang mit der nötigen Energie versorgt wird. Der Wechselrichter wandelt die DC-Spannung in eine saubere Wechselspannung am Ausgang, die ihrerseits völlig unabhängig von Störungen und Schwankungen der Eingangsspannung ist. Neben der Pufferung von Stromausfällen liefert diese so genannte Doppelwandler-USV eine optimale ‚Power Quality‘ und die permanente Überwachung einer solchen. Die Anforderungen an die einzelnen Bausteine einer Doppelwandler-USV hängen stark von den Einsatzbedingungen und Sicherheitsansprüchen bei der Nutzung ab. Für eine gute Verträglichkeit mit einem Generator sollte der Eingangs-Powerfaktor nahe 1 liegen. Dies lässt sich durch Powerfaktor-Korrektur im USV-Eingang oder durch den Einsatz von so genannten IGBTs (Insulated-Gate-Bipolar-Transistor) im USV-Gleichrichter erreichen. Mögliche Vorteile der Powerfaktor-Korrektur beim Wirkungsgrad können durch geringere Netzrückwirkungen der IGBT-Schaltung ausgeglichen werden. Diese können die Eingangsumgebung beeinflussen. Auch bei der Behandlung der Batterie im USV-Zwischenkreis muss abgewogen werden. Mit einer einfachen Batterie-Anbindung können die Verluste im Zwischenkreis gering gehalten werden, aber die Belastung der Batterieblöcke führt zu einer schnelleren Alterung und damit zu einem früheren Invest in Ersatzakkus. Moderne USV-Sys-teme bieten ein Batteriemanagement, das optimal auf den eingesetzten Akku-Typ abgestimmt ist und die Überwachung der Blöcke übernimmt. Die Weiterentwicklung in der Leistungselektronik erlaubt es heute, den IGBT-Wechselrichter ohne Ausgangstransformator zu betreiben, ohne die Qualität der Ausgangsspannungskurven zu verschlechtern. Einerseits werden die Verluste im Wechselrichtertransformator vermieden; andererseits entfällt die galvanische Trennung der Batteriespannung von der angeschlossenen Last und die Nutzung des Trafos bei der Gestaltung der Netzform am Ausgang. Frühzeitige Einbindung von Fachleuten bei Planung und Beratung ist demzufolge ein verlässlicher Rat.

3. Sicherheit durch Redundanz

Beim Energiemanagement muss neben den technischen Randbedingungen auch die geforderte Zuverlässigkeit der Einrichtungen berücksichtigt werden. Es beschäftigen sich immer mehr Organisationen mit der Einstufung der Strominfrastrukur nach Verfügbarkeitsklassen. Bekanntestes Beispiel dürfte die ‚Tier-Klassifizierung‘ des amerikanischen Uptime-Institutes (2) sein. Die technische Umsetzung einer Anordnung nach ‚Tier IV‘, entspricht rechnerisch einer Verfügbarkeit von 99,99%. Ähnliche Schemas bieten IEEE (Verfügbarkeitsklassen, z.B. 99,999% entspricht Klasse 5) und die Harvard-Research Group (AEC = Availability Environment Classification) (3). Eine übersichtliche Darstellung aus dem RZ-Bereich, mit Ausführungsvorschlägen für die einzelnen Gewerke, bietet die Planungsmatrix des Bitkom-Arbeitskreis (4). Bei Redundanzkonzepten spielt der USV-Wirkungsgrad im Teillastbereich eine wichtige Rolle für die Energieeffizienz. Am einfachsten lässt sich dies an einem Beispiel erläutern: Ein einfaches USV-System mit 100kVA Ausgangsleistung versorgt eine Last von 80kVA bei einem optimalen Wirkungsgrad von 94%. Werden für ein (1+1)-Redundanzkonzept zwei 100kVA-USVen eingesetzt, so läuft jede nur mit 40kVA Last und einem Wirkungsgrad von nurmehr 92%. Bei einer Redundanz von (5+1) werden sechs USVen zu je 20kVA bei 66,7% Auslastung (entspricht 13,34kVA) betrieben, was den Wirkungsgrad nur unwesentlich verschlechtern dürfte (gegenüber 80% Auslastung). Für die Verfügbarkeit kann sich aber ein Nachteil ergeben, da dreimal so viele Teile betrieben werden müssen; nicht zu vergessen die Nachteile bei Wartung und Service. Besonders stark wirken sich die Verluste bei einer Redundanz mit getrennten Schienen, also einem (n+1) + (n+1) System aus. Die Auslastung der einzelnen USVen halbiert sich auf 20% bzw. 33,3%. Auf Wirkungsgradangaben auch unter 50% Auslastung ist stark zu achten (Anmerkung: Bei der Planung sollten auch Angaben zum Wirkungsgrad mit nicht-linearer Last angefordert werden, da im realen Einsatz kaum reine Wirkwiderstände als Last auftauchen).

4. Energie- und Sicherheitsmanagement für bestehende Anlagen

Auch für vorhandene Räumlichkeiten muss das USV-System an steigende Anforderungen angepasst werden können. Räumliche Gegebenheiten können zu besonderen Lösungen, wie z.B. einer Container-USV, zwingen. Hier wird ein USV-System mit Batterie und kompletter Container-Klimatisierung auf dem Werksgelände aufgestellt und angeschlossen. Bei begrenzen Belüftungsmöglichkeiten im Aufstellungsraum der USV kann ein Luft-Wasser-gekühltes USV-System über ein­en vorhandenen Kühlwasseranschluss die Abwärme abführen, ohne die Raumklimatisierung zu belasten.

Fazit

Planung und Aufbau eines Stromversorgungssystems unter Energiemanagement-Gesichtspunkten sind anspruchsvolle Aufgaben. Neben wirtschaftlichen Gesichtspunkten bei Beschaffung, Betrieb und Service sollten Sicherheitsaspekte niemals vernachlässigt werden. Denn ein Systemabsturz durch einen Stromausfall kann höhere Schadenskos­ten verursachen, als Anschaffung und Betrieb einer unterbrechungsfreien Stromversorgung.

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