Unterbrechungsfreie Stromversorgung USVs: Akkus waren gestern

Gegen Unterbrechungen der Netzspannung schützen sich Verbraucher mit USV-Anlagen. Deren Technik gilt als ausgereift, trotzdem sind Verbesserungen in erheblichem Umfang möglich. Sie betreffen in erster Linie den eingesetzten Energiespeicher: Doppelschichtkondensatoren, auch Ultracaps genannt, anstelle von Akkumulatoren erhöhen bei der Versorgung sensibler Lasten die Zuverlässigkeit der USV-Systeme sowie die Verfügbarkeitszeit der Verbraucher und verringern den Wartungsaufwand erheblich.

Ausfälle der Spannungsversorgung können nicht nur zu Betriebsunterbrechungen oder gar Produktionsstillstand führen.

Insbesondere bei sensiblen Verbrauchern wie MSR-Systemen, SP-Steuerungen, IPCs, Modems oder Fernwirkanlagen können Geräte beschädigt werden, Daten gehen verloren oder werden gar zerstört.

Dem beugen USV-Systeme vor. Sie bestehen aus Gleich- und Wechselrichter, einer Batterie für die Spannungsversorgung sowie einem Netzgerät vor der Last und geben bei einem Ausfall der Netzversorgung die gespeicherte Energie frei.

Diese Lösung ist jedoch, obwohl technisch ausgereift und seit vielen Jahren standardmäßig für die Absicherung elektronischer Systeme genutzt, weit von dem entfernt, was sich als Optimum für die Versorgung der Verbraucher bezeichnen ließe: Mit Gleichrichter, Wechselrichter und Netzgerät finden sich drei Fehlerquellen in der Versorgungskette.

Zudem verursachen die erforderlichen drei Wandlungsprozesse erhebliche Energieverluste und verringern den Wirkungsgrad auf etwa 70 Prozent und darunter (Bild 1).

Um den »Lindwurm« aus Gleichrichter, Batterie, Wechselrichter und Netzgerät zu verbessern, kommen integrierte Netz- beziehungsweise Ladegeräte mit temperaturgeführter Ladung und Batteriemanagement sowie regelmäßigem automatischen Batterietest zum Einsatz.

Sie kommen in erster Linie für Anwendungen von 2 A bis 600 A mit langen Pufferzeiten oder hohen Lasten in Betracht (Bild 2).

Die spezifischen Nachteile, die mit Akkumulatoren als Energiespeicher verbunden sind, bleiben jedoch weiterhin bestehen. Akkumulatoren sind, unabhängig von den jeweils verwendeten Inhaltsstoffen, elektrochemische Energiespeicher, deren Prozesse temperaturabhängig ablaufen und deren Lebensdauer ebenso begrenzt ist wie ihre Kapazität.

Beim Entladen und Aufladen wird Wärme freigesetzt, bei jedem Lade- und Entladevorgang wird Material verbraucht. Nicht zuletzt beanspruchen die chemischen Prozesse Zeit; die Ladezeit einer Batterie kann mehrere Stunden betragen, in denen die Last bei einem Ausfall der Netzversorgung nicht ausreichend versorgt werden kann.

Speicherriese Doppelschichtkondensator

Dabei ist es bei weitem nicht so, dass es keine Alternative zu den Akkumulatoren gäbe: Doppelschichtkondensatoren, auch als »Electronic Double Layer Capacitor« (EDLC), Ultrakondensatoren oder Ultracapacitors (Ultracaps) bezeichnet, bewähren sich bereits seit mehreren Jahren als Energiespeicher (Bild 3).

Im Unterschied zu den Akkumulatoren speichern Kondensatoren elektrische Energie rein physikalisch, also ohne Umweg über eine chemische Reaktion.

Kondensatoren bestehen aus zwei Elektroden und dazwischen dem Dielektrikum als nicht leitender Schicht. Stromfluss durch die Elektroden lädt die eine Elek-tro-de positiv, die andere negativ auf.

Die Kapazität der Kondensatoren hängt dabei von der Oberflächengröße der Elektroden und ihrem Abstand zueinander ab.

Die Optimierung dieser Faktoren macht aus den Bauteilen veritable Speicherwunder: Bei Doppelschichtkondensatoren werden Kohlenstoff-Elektroden verwendet, und anstelle eines Dielektrikums ein Elektrolyt sowie ein Ionen-durchlässiger Isolator. Die Ionen wandern zu den Elektroden und bilden an der Grenze von Kohlenstoff und Elektrolyt eine sehr dünne elektrische Doppelschicht von Ladungsträgern mit hoher Speicherdichte.

Doppelschichtkondensatoren nehmen mit Kapazitätswerten von bis zu einigen zehntausend Farad erheblich größere Energiemengen auf als normale Kondensatoren und bringen eine höhere Leistung als Batterien. Sie lassen sich im Vergleich zu Akkumulatoren schneller laden und haben eine deutlich längere Lebensdauer.

Als Zellen in handhabbarer Größe und zu akzeptablen Preisen eignen sie sich auch für den Einsatz in USV-Geräten und sichern dort Anwendungen ab, die kurze Spitzenleistungen zwischen längeren Intervallen mit geringem Energiebedarf benötigen und sehr viele Lade- und Entladevorgänge erforderlich machen.

Die Firma J. Schneider Elektrotechnik beispielsweise setzt Doppelschichtkondensatoren in den USV-Anlagen der Baureihe »C-TEC« ein (Bild 4).

Doppelschichtkondensatoren machen aus einer USV-Anlage ein ausgesprochen langlebiges Produkt. Bei einer maximalen Ladespannung von 2,5 V je Kondensator kommen Ultracap-USV-Anlagen bei einer Umgebungstemperatur von +35 °C auf eine Lebensdauer von zwanzig Jahren. Damit decken sie ohne weiteres die gesamte Lebensdauer der Maschine ab, in die sie eingebaut sind.

In der gleichen Zeit wären bei klassischen USV-Systemen ohne Temperaturnachführung und ohne automatischen Batterietest bis zu sechs Akkumulator-Tauschaktionen fällig. Außerdem können Ultracap-USV-Anlagen bis zu einer Million Ladezyklen erreichen, während verschlossene Bleiakkumulatoren je nach Entladetiefe auf 200 bis maximal 1200 Zyklen ausgelegt sind.

Kein Problem mit Tiefentladung

Anders als bei Bleiakkumulatoren ist Spannungsfreiheit bei Kondensatoren ein normaler Betriebszustand. USV-Geräte mit eingebauten Kondensatoren werden deshalb ungeladen ausgeliefert.

Bei Bleiakkumulatoren hingegen besteht eine Tief-entladegrenze, sie liegt bei 1,6 V pro Zelle. Sinkt die Spannung durch aktive Entladung oder Selbstentladung unter diese Grenze, ist mit einer Schädigung oder Zerstörung zu rechnen. Eine solche Selbstentladung kann beispielsweise durch die im Maschinenbau mit typischerweise langen Projektlaufzeiten bereits in der Lagerzeit zwischen Fertigung und Inbetriebnahme auftreten.

Bei der Inbetriebnahme sind mit Kondensatoren bestückte USV-Anlagen schnell verfügbar; die kurze Aufladezeit nach einer Entladung erhöht die Verfügbarkeitszeit der Geräte. Die Unabhängigkeit der Ultrakondensatoren von der Temperatur machen sie auch für den Einsatz in USV-Anlagen geeignet, die unter extremen Temperaturbedingungen arbeiten.

Umgebungstemperaturen von -40 °C bis +70 °C haben auf die Kapazität der Energiespeicher keinen Einfluss.

Da sich bei Bleiakkumulatoren die Kapazität mit sinkender Temperatur verringert, müssten unterbrechungsfreie Stromversorgungen beispielsweise für Fernwirkeinheiten und Mittelspannungsschaltanlagen für »Smart Grids«, die in Umspannstationen im Außenbereich betrieben werden, beim Einsatz herkömmlicher Akkumulatoren beheizt werden (Bild 5).

Der Kapazitätsverlust beginnt bereits bei einer Umgebungstemperatur von unter +20 °C, bei -20 °C bleiben lediglich etwa ein Viertel der Nennkapazität, bei Temperaturen darunter sind Akkumulatoren kaum noch zu gebrauchen.

Ultrakondensatoren ermöglichen den Betrieb der Trafostation-Komponenten bei voller Kapazität und wartungsfrei über zwanzig Jahre hinweg.

Geringe Folgekosten

Langlebigkeit und Wartungsfreiheit der Doppelschichtkondensatoren senken Aufwand und Kosten für die Wartung der USV-Anlagen erheblich. Man denke dabei insbesondere an Anwendungen an schlecht zugänglichen Orten.

So müssen sich bei Windenergieanlagen die Windradflügel auch bei Stromausfall aus dem Wind drehen lassen, damit keine Schäden an der Anlage entstehen.

Der Motor dafür und die unterbrechungsfreie Stromversorgung befinden sich im rotierenden Teil der Anlage - alles andere als gut zugänglich und daher teuer in der Wartung.

Bei Offshore-Anlagen wird eine Wartung noch aufwändiger und ist außerdem aufgrund möglicher extremer Witterungsbedingungen nicht immer ungefährlich.

Auch der Montageaufwand hält sich in Grenzen: Während für die herkömmliche USV-Absicherung mit Netzgerät, Überwachungseinheit, USV und Batterie bis zu vier Module zu installieren sind, liefern integrierte Ultracap-USV-Lösungen die Absicherung komplett in einem Gehäuse.

Da Kondensatoren nicht gasen, lassen sie sich sogar in hermetisch abgeschlossenen Gehäusen verwenden. Diese wiederum machen den Einsatz der USV-Anlagen in aggressiven Umgebungen möglich, wie für die Absicherung von Tierfütterungsanlagen in Hühner- oder Schweineställen, in denen die Luft extrem ammoniakhaltig ist (Bild 6).

Kostensenkend macht sich auch die höhere Effizienz der Ultrakondensatoren bemerkbar.

Der Wirkungsgrad liegt bei 84% bis 95% gegenüber dem Durchschnitt von unter 70% bei Akkumulatoren - neben dem Kostenfaktor auch ein Aspekt von Umweltfreundlichkeit.

Da Ultracaps ohne Inhaltsstoffe wie schädliche Schwermetalle auskommen, können sie zu bis zu siebzig Prozent recycelt werden und sind auch an diesem Punkt den Akkumulatoren haushoch überlegen.