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Das Schwungrad speichert kinetische Energie in rotierenden Massen
Die Schwungrad-USV mit 500 kVA
Funktionsprinzip der Schwungrad-basierten USV

Herkömmlicherweise handelt es sich bei USV-Anlagen zum Schutz von Produktionsprozessen um Doppelwandler (VFI-SS-III), die Batterien als Energiespeicher nutzen. Batterien arbeiten auf Grundlage elektro-chemischer Prozesse. Jeder Lade- und Entladezyklus verbraucht unabhängig von den verwendeten Inhaltsstoffen Material und lässt die Batterien altern. Außerdem benötigen Batterien Zeit für den Ladeprozess. Zusätzlich beschleunigen Umgebungstemperaturen außerhalb des optimalen Bereiches von 20 bis 25 °C den Alterungsprozess. Dieser führt zu Kapazitätseinbußen und erhöht das Ausfallrisiko; je nach Beanspruchung müssen die Batterien nach einigen Jahren ausgetauscht werden. Trotzdem können Batterien ohne Vorwarnung versagen, auch wenn sie gestern noch einwandfrei funktioniert haben.

Kinetische Energie nutzen

Eine Alternative zur Energiespeicherung in Batterien sind USV-Systeme, die Energie in Schwungrädern (Flywheels) speichern. Diesen Ansatz hat das Unternehmen Active Power für das USV-System Cleansource UPS aufgegriffen und verbessert. Bei Schwungrad-USV-Systemen dreht sich das Schwungrad im Normalbetrieb mit gleichbleibender Geschwindigkeit; die Last wird aus dem Versorgungsnetz gespeist. Wird dieser Stromfluss unterbrochen, wandelt das System die im Schwungrad gespeicherte Energie in elektrische Energie um. Liegt wieder Spannung vom Versorgungsnetz an, schaltet es sowohl die Last als auch das Schwungrad für die Wiederaufladung auf das Versorgungsnetz zurück. Außerdem bereinigt es sämtliche in IEEE aufgeführten Netzstörungen.

Robust und alterungsfrei

Schwungräder altern nicht und arbeiten ohne Einschränkungen im Temperaturbereich von 0 bis 40 °C. Sie sind auf eine Lebenszeit von bis zu 20 Jahren ausgelegt und können so lange genutzt werden wie die USV-Anlage, in die sie eingebaut sind. Das schiebt den Aufwand für eine Erneuerung um fünf bis zehn Jahre gegenüber batteriegestützten Anlagen hinaus. Die Alterungsbeständigkeit des Energiespeichers lässt eine unbegrenzte Anzahl von Lade- und Entladezyklen zu, ein nicht zu unterschätzender Vorteil insbesondere in Regionen mit zahlreichen witterungsbedingten Ausfällen. Je nach Entladungstiefe dauert die Ladezeit bis zur erneuten Einsatzbereitschaft von 4.000 Umdrehungen zwischen wenigen Sekunden und zwei Minuten. Auch bei der Inbetriebnahme der Anlage bleibt die Ladezeit unter fünf Minuten. Die volle Ladungskapazität ist bei 7.700 Umdrehungen pro Minute erreicht. Die kurzen Ladezeiten sorgen dafür, dass die Last auch bei mehreren Ausfällen in schneller Folge kontinuierlich versorgt wird. Die verfügbare Kapazität lässt sich jederzeit bestimmen. Der Ladezustand ist definiert und vorhersehbar. Lediglich die Schwungrad-Lager verschleißen und sollten alle drei Jahre ausgewechselt werden. Sie sind als Lagerkassetten ausgebildet und lassen sich mit wenigen Handgriffen im laufenden Betrieb wechseln. Einmal im Jahr sollte die Anlage gewartet werden; für statische USV-Anlagen mit Batterien wird ein mindestens halbjährlicher Wartungsrhythmus empfohlen.

Geringer Stromverbrauch

Neben der Robustheit kennzeichnet ein geringer Stromverbrauch Schwungrad-basierte USV-Systeme. Die entscheidende Größe für den Energieverbrauch ist der Wirkungsgrad, also das Verhältnis von Ausgangs- zu Eingangsleistung unter festgelegten Betriebsbedingungen. Er beeinflusst nicht nur den Stromverbrauch für den Betrieb der USV, sondern erzeugt gegebenenfalls auch Kosten für die Klimatisierung. Wirkungsgrad-Verluste entstehen, da alle Typen von USV-Anlagen eine Basisleistung, beispielsweise für Steuerung und Ladeerhaltung, aufnehmen. Bei Doppelwandlern kommen aufwendige Wandlungsprozesse hinzu, die im Zusammenhang mit der Energiespeicherung in Batterien anfallen. Wird die Last auf zwei oder mehr Anlagen aufgeteilt, sinkt der Wirkungsgrad fast direkt proportional zur Last, denn der Basisbedarf ist unabhängig davon. Schwungrad-basierte USV-Systeme kommen mit einem geringeren Aufwand für Wandlungsprozesse aus. Der Wirkungsgrad liegt bei 98 % bei optimalen Lastbedingungen und sinkt auch bei ungünstigen Lastverhältnissen von 33 % nicht unter 95 %.

Kurze Überbrückungszeiten reichen aus

Das Schwungrad-Verfahren ermöglicht das kurzfristige Bereitstellen hoher Energiemengen und eignet sich für das zuverlässige Absichern großer Lasten bei Kurzzeitausfällen – Ausfälle mit einer Dauer von maximal zehn Sekunden, wie sie mit rund 94 % den größten Teil der Ausfälle in mitteleuropäischen Stromnetzen ausmachen. Die mit dem Schwungrad erzielbare Überbrückungszeit von 15 s reicht deshalb für die meisten Anwendungen aus. Unternehmen, die das Risiko längerer Ausfälle nicht eingehen können, nutzen, unabhängig von der Überbrückungszeit, die die USV bereitstellt, zusätzlich eine Notstromersatzanlage. Die USV-Anlage überbrückt in diesem Fall die Zeitspanne bis zur Versorgung der Last durch den Dieselgenerator innerhalb von 13 s nach dem Netzausfall.

Einen weiteren Pluspunkt können die Anlagen bei der Platzfrage verbuchen. Es sind ja nicht die USV-Anlagen, die viel Platz beanspruchen, sondern die Batterien. Für eine herkömmliche USV mit 1.000 kVA und den üblichen 15 min Überbrückungszeit beträgt der Flächenbedarf 15 bis 20 m², ein separater Raum für die Batterien muss abgeteilt werden, der auch noch klimatisiert werden muss. Bei Schwungrad-Systemen sind die Energiespeicher im Schrank integriert, das Gesamtsystem ist nur wenig größer als ein vergleichbarer herkömmlicher USV-Schrank ohne den Platz für die Batterien. Die Temperaturunempfindlichkeit macht Klimatisierung überflüssig, lediglich für ausreichende Belüftung ist zu sorgen.

Kosten und Einsparungen

Die Schwungrad-USV-Anlagen sind teurer als herkömmliche Anlagen derselben Leistungsklasse in herkömmlicher Bauweise. Trotzdem machen sie sich innerhalb kurzer Zeit durch Einsparungen insbesondere bei den Kosten für Batterien und bei den Stromkosten bezahlt. Die Batterien für eine 500-kVA-Anlage mit einer Überbrückungszeit von 15 min kosten 20.000 Euro; in den etwa zehn bis zwölf Jahren Lebenszeit einer USV-Anlage fallen für einen Batterie-Tausch mindestens circa weitere 20.000 Euro an. Die Kosten für die Kühlung des Batterieraums belaufen sich auf rund 15.000 Euro pro Jahr. Geht man bei einer Schwungrad-USV von einem um vier Prozentpunkte höheren Wirkungsgrad gegenüber einem Doppelwandler aus, liegen die Einsparungen für den Betrieb der USV im Jahr bei rund 380.000 kWh beziehungsweise 45.600 Euro. Auch die Umwelt profitiert: Der CO2-Ausstoß vermindert sich um bis zu 273 t jährlich. Außerdem entfallen Umweltbelastungen, wie sie bei der Produktion und Entsorgung der in Batterien verwendeten giftigen Inhaltsstoffe entstehen.