442 Eigenstromversorgungsanlagen
Versorgungsunterbrechungen Strom
Der sogenannte SAIDI - Index gibt Auskunft über die jährlichen Stromunterbrechungen mit Berücksichtigung der Ursache, Dauer, Zeitpunkt und Ausmaß der Störung, der Bericht wird durch die Netzbetreiber erstellt.
Zu unterscheiden ist hierbei der "gewöhnliche" Stromausfall vom ugs. "Blackout".
Der Stromausfall ist dadurch gekennzeichnet, dass er regional und zeitlich begrenzt ist und sich auf die unteren Netzebenen (Mittel- oder Niederspannung) beschränkt.
Eine USV-Anlage (Unterbrechungsfreie Stromversorgung) ist eine unverzichtbare Technologie, die insbesondere dort zum Einsatz kommt, wo eine durchgehende Stromversorgung für kritische Geräte und Systeme unerlässlich ist. Sie gewährleistet Schutz vor Stromausfällen, Spannungsschwankungen und anderen Netzstörungen, um Beeinträchtigungen der angeschlossenen Geräte zu vermeiden. Neben dem Schutz vor kurzfristigen Ausfällen bietet die USV zudem eine Überbrückungszeit, die es ermöglicht, Systeme kontrolliert herunterzufahren oder auf eine alternative Energiequelle umzuschalten.
Hauptfunktionen einer USV-Anlage:
Überbrückung bei Stromunterbrechungen: Bei einem Ausfall der Stromversorgung (intern oder extern) übernimmt die USV-Anlage sofort die Energieversorgung der angeschlossenen Geräte, sodass diese ohne Unterbrechung weiterlaufen können. Dies ist besonders wichtig in Rechenzentren, bei der Netzwerktechnik und in medizinischen Einrichtungen, wo selbst kurze Ausfälle gravierende Folgen haben können.
Schutz vor Spannungsschwankungen und Störungen: Neben der Überbrückung bei einem Stromausfall schützt eine USV auch vor Spannungsschwankungen, Überspannungen oder Störungen im Stromnetz. Diese Unregelmäßigkeiten können elektronische Geräte beschädigen oder deren Betrieb beeinträchtigen. Die USV filtert diese Störungen heraus und sorgt für eine konstante, saubere Stromversorgung.
Puffer zwischen Netzversorgung und Netzersatz: In Kombination mit Netzersatzanlagen (z.B. Dieselgeneratoren) stellt die USV eine Pufferfunktion bereit. Wenn die USV während eines Netzausfalls eine vorgegebene Zeit überbrückt hat, bis das Stromersatzaggregat einspringt, übernimmt sie die kurzfristige Versorgung, während die Netzersatzanlage für längere Ausfälle die benötigte Energie liefert. Die USV sorgt also für eine unterbrechungsfreie Überbrückung, während der Generator hochfährt.
Aufbau einer USV-Anlage:
Die typische USV-Anlage besteht aus mehreren Komponenten:
- Wechselrichter: Wandelt den Gleichstrom (DC) der Batterien in Wechselstrom (AC) um, um die angeschlossenen Geräte zu versorgen.
- Batterien: Speichern die Energie, die die USV bei einem Stromausfall oder Spannungseinbruch nutzen kann. Die Batterien bieten die Energie für den Betrieb während der Überbrückungszeit, die je nach Anforderungen unterschiedlich lang sein kann (typischerweise von wenigen Minuten bis zu mehreren Stunden).
- DC-Wandler (Ladeeinheit): Wandelt den Strom aus dem öffentlichen Netz oder aus der Netzersatzanlage in Gleichstrom (DC), um die Batterien wieder aufzuladen. Sobald die Stromversorgung aus dem Netz wiederhergestellt ist oder ein Netzersatzaggregat einspringt, wird die USV automatisch auf die Netzversorgung umgeschaltet und die Batterien beginnen sich wieder aufzuladen.
Funktionsweise einer USV-Anlage im Detail:
Normalbetrieb (Netzversorgung): Wenn das Stromnetz stabil ist, wird die Energieversorgung der angeschlossenen Geräte direkt vom öffentlichen Stromnetz über den Gleichrichter der USV bereitgestellt. Gleichzeitig wird die Batterie geladen, sodass sie im Falle eines Ausfalls des öffentlichen Netzes schnell einsatzbereit ist.
Stromausfall oder Störung im Netz: Wenn eine Störung oder ein Ausfall im Stromnetz auftritt, schaltet die USV sofort auf die Batterieversorgung um, ohne dass die angeschlossenen Geräte einen Stromausfall bemerken. Die Energie aus den Batterien versorgt weiterhin die Geräte, bis das Netz wieder verfügbar ist oder die Netzersatzanlage die Stromversorgung übernimmt.
Rückkehr der Netzversorgung oder Übergang auf Netzersatz: Sobald das öffentliche Stromnetz zurückkehrt oder das Netzersatzaggregat (z.B. Dieselgenerator) in Betrieb genommen wurde, übernimmt die USV entweder wieder das Netz als Quelle oder speist die Energie von der Netzersatzanlage in die angeschlossenen Geräte ein. Gleichzeitig beginnt die Batterie wieder zu laden, sodass sie für den nächsten Notfall bereit ist.
Laden der Batterien: Der DC-Wandler sorgt dafür, dass die Batterien innerhalb einer angemessenen Zeit wieder aufgeladen werden, um für den nächsten Ausfall oder die nächste Störung gerüstet zu sein. Der Ladevorgang erfolgt kontinuierlich, solange die USV mit Strom versorgt wird, um sicherzustellen, dass immer ausreichend Energie für einen möglichen Ausfall bereitsteht.
Anwendungsszenarien:
Rechenzentren: USV-Anlagen sind ein unverzichtbarer Bestandteil von Rechenzentren, da hier jede Unterbrechung der Stromversorgung zu Datenverlust, Systemausfällen oder sogar zu Schäden an der Hardware führen kann. USVs garantieren, dass Serversysteme und Netzwerkinfrastrukturen auch bei Stromausfällen kontinuierlich laufen.
IT-Infrastrukturen und Netzwerktechnik: Auch in kleineren Büros, Industrieanlagen oder in der Telekommunikation werden USVs genutzt, um Router, Switches und andere kritische Netzwerktechnik vor Stromunterbrechungen und Störungen zu schützen.
Krankenhäuser: Hier ist eine kontinuierliche Stromversorgung für lebenswichtige medizinische Geräte (wie Beatmungsgeräte, OP-Geräte oder Überwachungsmaschinen) essenziell. Eine USV gewährleistet, dass diese Geräte auch bei einem Stromausfall weiter betrieben werden können.
Industriebetriebe und Fertigungsanlagen: In der Industrie kommen USVs vor allem zum Einsatz, um Fertigungsanlagen vor unerwünschten Stromausfällen zu schützen. Insbesondere in Bereichen, in denen Maschinen und Steuerungen auf kontinuierliche Stromversorgung angewiesen sind, sind USVs notwendig.
Zusammenfassung:
USV-Anlagen sind eine Schlüsseltechnologie für die Absicherung gegen Stromausfälle und -störungen, besonders in kritischen Bereichen wie IT, medizinischer Technik und Industrie. Sie gewährleisten eine unterbrechungsfreie Stromversorgung für eine bestimmte Zeit und bieten gleichzeitig Schutz vor Netzstörungen. In Kombination mit Netzersatzanlagen sorgen USV-Systeme dafür, dass sowohl kurzfristige als auch langanhaltende Stromausfälle ohne Ausfallzeiten überbrückt werden können, was eine hohe Verfügbarkeit der Stromversorgung garantiert.
Für die sichere Stromversorgung in Krankenhäusern, insbesondere in Räumen und Einrichtungen der Anwendungsgruppe II (OP, Intensivmedizin, etc.) werden sog. "Batteriegestützte Sicherheitsstromversorgungen (BSV), früher: Zusätzliche Stromversorgungen (ZSV) eingesetzt.
In Rechenzentren setzen wir häufig statische, modulare und skalierbare Dreiphasen-USVn für den n+1 redundanten Parallelbetrieb mit elektronischen Umgehungsschalteinrichtungen ein, natürlich unter Berücksichtigung der objekt- und anlagengezogenen Erfordernissen.
Die schwungmassengestützten Stromversorgungen stellen eine besonders interessante und fortschrittliche Technologie im Bereich der Notstromversorgung dar. Sie kombinieren verschiedene technische Elemente, um eine zuverlässige und sofort verfügbare Stromversorgung zu gewährleisten und darüber hinaus zusätzliche Funktionen zu übernehmen, die klassische Notstromdiesel nicht bieten.
Aufbau und Funktionsweise:
Eine schwungmassengestützte Stromversorgung besteht typischerweise aus:
- Rotierenden Massenspeichern (auch als Schwungmassen oder Flywheels bezeichnet): Diese rotieren mit hoher Geschwindigkeit und speichern Energie in Form von kinetischer Energie. Sie haben eine hohe Leistungsdichte und können sehr schnell Energie abgeben, was sie besonders nützlich für die sofortige Überbrückung von Stromausfällen macht.
- Dieselmotor: Dieser Motor wird verwendet, um den Generator anzutreiben und sicherzustellen, dass die Stromversorgung auch während längerer Ausfälle stabil bleibt.
- Generator: Der Generator wandelt die mechanische Energie des Dieselmotorantriebs in elektrische Energie um und versorgt die angeschlossenen Lasten.
Die Besonderheit dieses Systems im Vergleich zu klassischen Notstromdieselanlagen liegt in der Kombination der rotierenden Massenspeicher mit dem Dieselmotor und dem Generator. Die Schwungmasse sorgt dabei für die sofortige Verfügbarkeit von Energie, sobald ein Stromausfall festgestellt wird – schneller als bei herkömmlichen Notstromaggregaten, die erst durch den Startvorgang des Dieselmotors eine Stromversorgung bereitstellen. Die Schwungmasse kann innerhalb von Millisekunden auf die Last reagieren, sodass die Stromversorgung ohne Unterbrechung bleibt.
Hauptvorteile schwungmassengestützter Stromversorgungen:
Sofortige Verfügbarkeit: Durch die Schwungmasse kann diese Art der Stromversorgung nahezu ohne Verzögerung die kritische Last übernehmen und die USV-Funktion (unterbrechungsfreie Stromversorgung) bereitstellen, solange der Dieselmotor hochfährt oder die Hauptversorgung wiederhergestellt wird.
Längere Betriebsdauer und Redundanz: Anders als bei einer klassischen USV-Anlage, die auf Batterien angewiesen ist, die irgendwann erschöpft sind, kann die rotierende Schwungmasse über längere Zeiträume stabile Energie liefern, bis der Dieselmotor anspringt. Das System bietet so eine längere Pufferzeit.
Netzfilter-Funktion: Schwungmassengestützte Systeme können auch als Netzfilter fungieren. Durch die Kombination von Massenspeichern und Generatoren lassen sich Schwankungen in der Spannung oder Frequenz im Netz ausgleichen und kleinere Netzstörungen können direkt kompensiert werden. Diese Eigenschaft macht das System besonders geeignet für den Einsatz in kritischen Infrastrukturen, in denen eine kontinuierliche und stabile Stromversorgung essenziell ist.
Effizienz und Lebensdauer: Schwungmassenspeicher haben eine sehr hohe Anzahl von Lade- und Entladezyklen und benötigen weniger Wartung als Batteriebasierte Systeme. Dies erhöht ihre Langfristigkeit und Effizienz, insbesondere in Anlagen, die regelmäßig in Betrieb sind.
Einsatzbereiche:
Schwungmassengestützte Stromversorgungen werden hauptsächlich in kritischen Infrastrukturen eingesetzt, bei denen eine unterbrechungsfreie Stromversorgung und gleichzeitig eine stabile Netzqualität erforderlich sind. Typische Einsatzgebiete umfassen:
- Industrielle Anwendungen: In großen Industriebetrieben, die eine stabile und kontinuierliche Stromversorgung benötigen, z.B. für Produktionsanlagen, die bei Stromausfällen oder Spannungsschwankungen nicht stehen bleiben dürfen.
- Krankenhäuser und medizinische Einrichtungen: Hier ist eine ununterbrochene Stromversorgung von zentraler Bedeutung, um die Funktionalität lebenswichtiger Geräte wie Beatmungsgeräte, Notstromversorgung von OP-Sälen und medizinischen Geräten zu gewährleisten.
- Campusartige Einrichtungen und Rechenzentren: In Universitäten, Forschungseinrichtungen oder großen Bürokomplexen, in denen IT-Systeme und Netzwerkinfrastrukturen konstant und zuverlässig betrieben werden müssen.
- Energieversorgungsunternehmen und kritische Versorgungsnetze: Für den Schutz und die Stabilisierung des Versorgungsnetzes, insbesondere bei der Einspeisung in das Mittelspannungsnetz.
Zusammengefasst:
Die schwungmassengestützte Stromversorgung stellt eine besonders robuste und schnelle Lösung zur Überbrückung von Stromausfällen dar. Sie bietet die Vorteile einer sofortigen Notstromversorgung, kombiniert mit einer Funktion als Netzfilter, und stellt so eine zuverlässige Stromversorgung für kritische Infrastrukturen sicher. Im Vergleich zu klassischen Notstromdieseln bietet dieses System sowohl eine schnellere Reaktion auf Ausfälle als auch eine längere Betriebsdauer durch die Nutzung rotierender Massenspeicher.