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USV-Anlagen

Schwungrad-Energiespeicher können Akkus ersetzen

6. Juni 2011, 14:41 Uhr | Von Uwe Schrader-Hausmann

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Überbrückungszeit

In IT-Stromversorgungssystemen, die eine Verfügbarkeit von 99,999 % sicherstellen sollen, muss der Diesel-Generator nach spätestens 15 s die Energieversorgung der Last übernommen haben (Bild 4).

Längere Überbrückungszeiten, wie sie durch Akkus bereitgestellt werden, erhöhen die Wahrscheinlichkeit nicht, dass der Diesel-Generator nach einem Fehlstart bei einem zweiten Start- versuch anspringt, sondern verschärfen lediglich das Temperaturproblem im Rechenzentrum. Die integrierte Servertemperaturüberwachung schaltet einen 15-kW-Blade- serverschrank nach ca. 45 s wegen Überhitzung ab - unabhängig von der verbleibenden Akku-Ladung. Das Schwungrad-Verfahren ermöglicht die sehr kurzfristige Bereitstellung hoher Energiemengen und eignet sich für die zuverlässige Versorgung großer Lasten bei kurzzeitigen Netzausfällen. Die Last wird innerhalb von 13 s nach dem Netzausfall an den Generator übergeben. Die Schwungrad-USV-Anlage von Active Power bereinigt außerdem sämtliche vom IEEE aufgeführten Netzstörungen.

Bei einer Überschreitung der Grenzwerte schaltet sie unterbrechungsfrei und ohne jegliche Verzerrung der Ausgangspannung auf die Versorgung über das Schwungrad um.

Nie wieder Akkus wechseln

Der Ersatz von Akkus durch einen Schwungrad-Energiespeicher bringt über den höheren Wirkungsgrad hi-naus weitere Vorteile. So entfallen die Kosten für neue Akkusätze. Alle zwei bis fünf Jahre müssen die Akkus ausgetauscht werden, damit ein Höchstmaß an Verfügbarkeit sichergestellt werden kann. Die Kosten für Akkus für eine Überbrückungszeit von 15 Minuten bei einer 500-kVA-Anlage belaufen sich auf 20 000 Euro. In den etwa zehn bis zwölf Jahren Lebenszeit einer USV-Anlage fallen durch das Austauschen der Akkus zusätzlich ca. 40 000 Euro an. Schwungräder hingegen sind auf eine Lebenszeit bis zu 20 Jahren ausgelegt und können so lange genutzt werden wie die USV-Anlage, in die sie eingebaut sind. Die Schwungrad-Technik stellt damit ein hohes Maß an Nachhaltigkeit im Umgang mit den Ressourcen sicher, die für den Bau der USV-Anlagen eingesetzt worden sind. Umweltbelastungen, wie sie bei der Entsorgung bzw. beim Recyceln der in Akkus verwendeten giftigen Inhaltsstoffe entstehen, entfallen. Verschleißteile sind die Schwungrad-Lager, die alle drei Jahre ausgetauscht werden sollten. Sie sind als Lagerkassetten ausgebildet und können mit wenigen Handgriffen im laufenden Betrieb gewechselt werden. Einmal im Jahr sollte die Schwungrad-USV-Anlage gewartet werden; für statische USV-Anlagen wird ein mindestens halbjährlicher Wartungsrhythmus empfohlen.

An der Kühlung darf gespart werden

Aufgrund der chemischen Prozesse muss für den Betrieb der Akkus ein eng gefasster Temperaturbereich von 20 °C bis 25 °C eingehalten werden. Bei einer nur um 10 K höheren Umgebungstemperatur würde sich ihre Lebenszeit halbieren. In vielen Fällen werden die Akkus in Schränken direkt neben der USV-Anlage aufgestellt, somit muss die Klimaanlage zusätzlich die gesamte anfallende USV-Verlustwärme abführen. Die jährlichen Kosten für diese Klimatisierung belaufen sich auf ca. 15 000 Euro pro Jahr. Da die Schwungrad-USV im Temperaturbereich von 0 °C bis 40 °C ohne Einschränkungen arbeitet, ist für sie nur für eine ausreichende Belüftung zu sorgen.

Der Platzbedarf einer Schwungrad-USV mit 500 kVA beläuft sich auf 6 m², für eine Doppelwandler-USV-Anlage gleicher Leistung müssen einschließlich der Akkus ca. 10 m² veranschlagt werden.

Kosten und Einsparungen

Die Anschaffungskosten für Schwungrad-USV-Anlagen liegen über denen für eine USV-Anlage derselben Leistungsklasse in herkömmlicher Bauweise mit Akkumulatoren. Die Differenz ist in erster Linie den höheren Herstellungskosten für das Schwungrad geschuldet. Den Mehrkosten bei der Anschaffung stehen allerdings Einsparungen bei der Wartung und beim Ersatz von Akkus, beim Platzbedarf und bei den Energiekosten im Betrieb gegenüber (Bild 5).

Eine Schwungrad-USV von Active Power macht sich im Schnitt nach zweieinhalb Jahren bezahlt: Geht man von einem um vier Prozentpunkte höheren Wirkungsgrad gegenüber einer Doppelwandler-USV-Anlage mit Akku aus, liegt die Energieeinsparung der Schwungrad-USV bei rund 380 000 kWh/Jahr. Dies senkt die Energiekos-ten für den Betrieb der USV-Anlage um rund 45 600 Euro jährlich. Die Kosten für die Kühlung fallen um bis zu 15 000 Euro/Jahr niedriger aus. Diese geringere Energieaufnahme ist verantwortlich dafür, dass eine Schwungrad-USV im Betrieb einen um 273 t/Jahr niedrigeren CO2-Ausstoß verursacht.

Literatur

[1] www.borderstep.de
[2] VDE 0558-530, DIN EN 62040-3:2002-02: Unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme (USV) Teil 3: Methoden zum Festlegen der Leistungs- und Prüfungsanforderungen.
[3] www.activepower.com
[4] www.lbl.gov

Dipl.-Ing. (FH) Uwe Schrader-Hausmann
studierte Elektrotechnik an der Fachhochschule Hannover und beschäftigt sich seit mehr als 28 Jahren mit unterbrechungsfreien Stromversorgungen. Er hält ein US-amerikanisches und zwei internationale Patente. Bei Active Power startete er als Technischer Leiter für die Region Europa, Naher Osten und Afrika. Später übernahm er die Position des stellvertretenden Generaldirektors für technische Dienstleistungen. Heute verantwortet er als Technischer Direktor und stellvertretender Generaldirektor bei der Active Power, Inc., die Unternehmensbereiche Forschung und Entwicklung sowie Technische Dienstleistungen und Kundenbetreuung; zusätzlich leitet er die Active Power (Germany) GmbH. Vor seinem Wechsel zur Active Power, Inc., -arbeitete er in unterschiedlichen Positionen bei der Piller Power Systems GmbH, u.a. als TechnischerDirektor und als Leiter der Qualitätssicherung.

Dipl.-Ing. (FH) Uwe Schrader-Hausmann

studierte Elektrotechnik an der Fachhochschule Hannover und beschäftigt sich seit mehr als 28 Jahren mit unterbrechungsfreien Stromversorgungen. Er hält ein US-amerikanisches und zwei internationale Patente. Bei Active Power startete er als Technischer Leiter für die Region Europa, Naher Osten und Afrika. Später übernahm er die Position des stellvertretenden Generaldirektors für technische Dienstleistungen. Heute verantwortet er als Technischer Direktor und stellvertretender Generaldirektor bei der Active Power, Inc., die Unternehmensbereiche Forschung und Entwicklung sowie Technische Dienstleistungen und Kundenbetreuung; zusätzlich leitet er die Active Power (Germany) GmbH. Vor seinem Wechsel zur Active Power, Inc., -arbeitete er in unterschiedlichen Positionen bei der Piller Power Systems GmbH, u.a. als TechnischerDirektor und als Leiter der Qualitätssicherung.

uhausmann@activepower.com