USV-System mit Ultrakondensatoren für optimale Netzsicherheit

War es früher nicht von großer Bedeutung, wenn die Glühbirne aufgrund von Spannungsschwankungen einmal flackerte oder die Stromversorgung sogar für ein paar Minuten ganz unterbrochen wurde, so verursachen heute in der digitalen Welt selbst kleinste Frequenz- oder Spannungsschwankungen bei Produktionsprozessen, bei medizinischen Geräten, im öffentlichen Sektor oder in der Informations- und Telekommunikationstechnologie jährlich Schäden, die bis in die Milliarden Euro gehen. Die Schäden entstehen, da diese kurzfristigen Stromausfälle oder Spannungsschwankungen unangekündigt auftreten und nicht im Rahmen der Lieferverpflichtung der Stromerzeuger abgedeckt sind.

Bild 1: Statistik der Netzschwankungen in Mitteleuropa. In Deutschland beträgt die Spannungsschwankung nur etwa 0,5 Prozent. Skeleton Technologies

Eine konstant mit 50 Hz getaktete, unterbrechungsfreie Stromversorgung mit weniger als 10 Prozent Spannungsschwankungen im Wochenverlauf ist essentiell für das Nervensystem unserer digitalen Gesellschaft. Dabei ist ein sinusförmiger Spannungs- und Frequenzbereich mit einer Amplitude von 230 V bei 50 Hz im Europäischen Stromnetz unter EN 50160 als Standard festgelegt. Zweifellos ist die Stromversorgung in Deutschland mit einer Spannungsschwankung von nur 0,5 Prozent auf einem hohen Niveau und schwankt im Wochenmittel nur in einem Bereich zwischen 49,5 bis 50,5 Hz (Bild 1).

Früher konstant – heute riskant

Bei einer konstanten Energiequelle war Verlass darauf, dass die Energie immer mit der gleichen Rate geliefert wird, wenn sich die Nachfrage änderte. Dies war kein Problem, da reaktive Anlagen wie Gaskraftwerke bei steigender Nachfrage ans Netz gehen konnten. Das erforderliche Polster oder die Überlappung musste immer positiv sein, um sicherzustellen, dass die Gasturbinen in der Gasanlage zum Zeitpunkt des Nachfrageanstiegs online waren. Ein nukleares, Kohle- oder Ölverbrennungssystem für den Mainstream-Bedarf und Tankstellen für den Spitzenbedarf waren also ein einfacher Weg, die Nachfrage zu steuern, da die Energieversorgung relativ stabil war. Wasserkraft war Teil dieses Mixes, hat aber nie eine große Rolle bei der Lieferung der benötigten Energie gespielt.

Heute gestaltet sich dies immer schwieriger. Gängige Energiesysteme stoßen schädliche Emissionen aus, die unsere Umwelt stark belasten. Die Energie, die wir täglich benötigen, muss so beziehbar sein, dass keine Emissionen oder unkontrollierbare Abfälle entstehen. Ausgehend von der Wasserkraft sowie Sonnen- und Windenergie ist also ein System erforderlich, in dem Angebot und Nachfrage nahtlos steuerbar sind. Das bedeutet, dass das „Gehirn“ des Netzes in der Lage sein muss, nach Bedarf auf Schwankungen von Angebot und Nachfrage zu reagieren und sowohl Stromausfälle als auch Energieverschwendung sofort zu verhindern.

Warum Mikroausfälle gerade für digitale Systeme so fatal sein können und wie eine USV hier eingreift, erfahren Sie auf der nächsten Seite.

Speicher als Energiepolster

Wie kann das funktionieren? Zuallererst ist die Art und Weise der Netzverwaltung zu bewerten und an die neuen Energieversorgungssysteme anzupassen. Hier kann ein Mix aus Wind, Sonnen- und Wasserkraft die Hauptenergie liefern und somit ein gesundes Energiepolster bereitstellen. Dieses Polster wird weit über dem Bedarf liegen, welcher zur Ladung des alternativen Teils des Netzes verwendet, außerhalb des Netzes exportiert oder auf eine andere nützliche Weise verwendbar ist. Der alternative Teil muss aus Energiespeicherlösungen bestehen. Hier gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten wie beispielsweise das Pumpen von Wasser in einen Speicher, die Elektrolyse von Wasserstoff, das Laden von Batterien oder eben Ultrakondensatoren.

Kurzer Abfall, große Wirkung

Bild 2: Bei einer USV auf Basis von Blei- oder Li-Ionen-Batterien kann es zum Whiplash kommen. Hier bieten sich Ultrakondensatoren als Alternative an. Skeleton Technologies

Ein entscheidender Faktor für den störungsfreien Betrieb der meisten digital gesteuerten Geräte ist die konstante Qualität der vom Netz gelieferten Spannung, wobei das System die Variabilität der erneuerbaren Energieversorgung berücksichtigen muss. Ein Unterschied in der Windgeschwindigkeit oder der Sonnenintensität führt zu einer plötzlichen Änderung, die zu winzigen Schwankungen der Spannung am Kundenpunkt führen kann. Selbst wenn Systeme wie Blei-Batterien oder Li-Ionen-Batterien angeschlossen sind, um USV (Uninterrupted Power Supply, Bild 2) zu ermöglichen, kann dies zu einem Spannungsabfall, dem Whiplash führen. Whiplash oder auch Coup de Fouet beschreibt die Auswirkung des Spannungsabfalls bei hohen Entladezyklen bei Bleibatterien. Für eine auf Blei-Batterien basierende Anlage ist dies sehr nachteilig und es dauert mehrere Minuten, bis sich das System wieder erholt. Bis zu diesem Zeitpunkt ist das Client-System wahrscheinlich heruntergefahren – bedingt durch die Fehlfunktion der Batterie. Der Spannungsabfall tritt auch bei Li-Ionen-Systemen in geringerem Maße auf und kann die Größe des Backup-Netzteils entscheidend erhöhen.

Tritt jedoch ein Kurzschluss auf, lässt sich der daraus resultierende kurze Spannungseinbruch innerhalb von 0,3 bis 0,5 Sekunden durch einen automatischen Neustart der Stromversorgung beseitigen – eine Zeitspanne, die bei hochempfindlichen digitalen Steuerungen bestenfalls zu Störungen, in der Regel aber zu Stromausfällen führen kann.

Ultrakondensatoren zeichnen sich für die USV besonders durch ihre kurze Reaktionszeit aus. Die Details dazu liefert der Beitrag im Folgenden.

Ultrakondensatoren als Brandmauer im Netz

Schädlich für digitale Systeme sind auch die sogenannten Oberschwingungen, bei denen die regelmäßige Frequenz von 50 Hz kurzzeitig um ein Vielfaches überlagert wird. Auch dies kann die Funktion der angeschlossenen digitalen Geräte beeinträchtigen. Bei Schaltvorgängen im Netz können außerdem schnelle oder energiereiche Störimpulse auftreten, die zu Überspannungen führen und den Normalbetrieb negativ beeinflussen können.

Alle diese netzabhängigen Schwankungen, Unregelmäßigkeiten und Störungen stellen ein großes Risiko für das reibungslose Funktionieren digitaler Steuerungssysteme dar. Mit der zwischen Netz und Last installierten Ultrakondensator-USV-Anlage lassen sich selbst kleinste Spannungsschwankungen oder Stromstörungen aufnehmen und kompensieren, sodass keine Schäden an der digital gesteuerten Last auftreten.

Schnelle Reaktion

Wasserspeicher und Wasserstofftechnologie sind nicht die reaktivsten Technologien bei einem plötzlichen Nachfrageanstieg. Batterien sind zwar dafür geeignet, besitzen aber eine geringe Leistungsdichte. Sie sind ein hervorragendes Mittel zur Energiespeicherung für den Fall, dass eine lange Zeit der Niederspannungs-Hauptenergieversorgung (zum Beispiel bei Windstille oder stark bewölktem Himmel) stattfindet. Jedoch entstehen bei einem Mikroausfall oder bei einer Überbrückung über mehrere Sekunden Leistungseinbußen, welche die Lebensdauer der Batterien schädigen. Damit die Batterien einen großen Stromstoß aushalten können, müssen sie entsprechend dimensioniert sein und eine hohe Leistungsdichte aufweisen. Auch kann eine Energiespeicherlösung recht groß ausfallen, wenn sie nur aus Batterien besteht. Für die Reaktion auf schnelle Schwankungen von Angebot und Nachfrage ist deshalb eine Lösung mit höherer Leistungsdichte notwendig.

Grenzen für Batterielösungen

Laut Allianz verursachen kurzfristige Stromausfälle in den USA jährlich mehr als 100 Milliarden US-Dollar an Schäden. Dieses Problem wurde lange übersehen, da die kurzfristigen Stromausfälle nicht durch Netzcodes abgedeckt sind. Netzcodes und die Qualität des gelieferten Stroms reagieren nicht auf schnelle, aktuelle, präzise und anspruchsvolle Maschinen. Wie bereits erwähnt, funktioniert dies bei batteriebasierenden Lösungen bis zu mehreren hundert Kilowatt. Ist jedoch ein Megawatt über eine Sekunde gefragt, dann müsste das Batteriesystem einen so hohen Leistungsbedarf bei Spannungsschwankungen abdecken, dass es einfach nicht schnell genug reagieren und die erforderliche Leistung nicht in der benötigten Zeit bereitstellen könnte. Blackouts würden immer noch auftreten.

Bild 3: Ultrakondensatoren in USVs überzeugen durch ihren geringen Platzbedarf, geringe Service-Intervalle und ihre hohe Lebensdauer. Skeleton Technologies

Herkömmliche USV-Lösungen versuchen das Problem zu bewältigen, indem sie batteriebasierende Geräte vorschlagen, deren Leistung in Kilowattstunden (kWh) gemessen wird. Um kurzfristige Stromausfälle zu vermeiden, benötigen Unternehmen jedoch nicht stundenlang Kilowatt, sondern in vielen Fällen Megawatt für einige Sekunden. Skelgrid Omni hat das Kernproblem der Integration von Ultrakondensatoren in USV-Systemen mit einer modularen, kostengünstigen Anwendung – basierend auf proprietärer Software – gelöst (Bild 3).

Auf der nächsten Seite stellt der Beitrag die USV-Lösung Skelgrid Omni im Detail vor.

Ultrakondensatoren als Speicherlösung

Bild 4: Skelgrid Omni ist ein schlüsselfertiges USV-System in Ultrakondensator-Technologie, das Megawatt in Millisekunden bereitstellt. Skeleton Technologies

Skeleton Technologie hat Skelgrid Omni (Bild 4) auf den Markt gebracht, um die Milliardenschäden durch kurzfristige Stromausfälle, die jedes Jahr bei industriellen Stromverbrauchern auftreten, zu reduzieren. Es ist das erste schlüsselfertige System, das die Ultrakondensator-Technologie direkt in Produktionsstätten, Rechenzentren, Krankenhäusern und anderen kritischen Infrastrukturen einsetzt.

Skelgrid Omni besteht aus Bausteinen mit 0,5, 1 und 2 MW. Erstmals können Kunden zusätzliche MW-Sekunden kaufen, anstatt für MW-Stunden zu viel zu bezahlen. Ziel ist es, der Fertigungsindustrie zu helfen. Elektronik, Kunststoff- und Metallverarbeitung, Chemie, Glas und andere Industrien verlieren durch schlechte Netzqualität täglich wertvolle Umsätze. Netzcodes regeln keine kurzfristigen Spannungsabfälle, jedoch erfordern aktuelle Fertigungsanlagen eine hohe Stromqualität. Infolgedessen befinden sich Unternehmen des produzierenden Gewerbes, die unter fehlerhaften Produkten, Ausfallzeiten und Schäden an den Fertigungsanlagen leiden, welche abrupt stillstehen oder nicht ausreichend funktionieren, in einer Zwickmühle.

Megawatt in Millisekunden

Skelgrid Omni nutzt die Ultrakondensator-Technologie, bei der Energie in einem elektrischen Feld gespeichert wird und eben keine chemische Reaktion erfolgt. Dadurch gewährleistet die Lösung Reaktionszeit in Millisekunden, hohe Zuverlässigkeit mit einer Million tiefer Lade-/Entladezyklen sowie eine Lebensdauer von über 15 Jahren. Ultrakondensatoren unterscheiden sich von Batterien durch eine deutlich höhere Leistungsdichte, welche eine schnellere Energieversorgung auf Abruf ermöglicht.

Als First-Line-Lösung für die erste Sekunde eines Stromausfalls können das Skelgrid Omni und seine Ultrakondensatoren mit sofortiger Reaktion alle Produktionsprozesse aufrechterhalten. Anschließend können Batterien die benötigte Energie für mehrere Minuten oder Stunden liefern. Manchmal benötigt der betreffende Arbeits- oder Fertigungsprozess nur wenige Sekunden, um entweder ohne Beschädigung abzuschalten oder in eine sichere Park-Position zu gelangen. Diese Sekunden mit einer Batterielösung zu erreichen, zwingt den Betreiber zur Implementierung einer größeren Energiespeicherlösung als nötig. In einer Zeit, in der der Quadratmeterpreis ständig den nächsten Rekordwert erreicht, ist das definitiv keine optimale Lösung.

Skelgrid bietet durch den Aufbau mit Ultrakondensatoren und aufgrund deren elektrostatischen Eigenschaften die schnellstmögliche Reaktion. Ultrakondensatoren haben nicht die Energiedichte, um langfristig mit Batterien zu konkurrieren, aber dafür die Leistungsdichte, um Mikroausfälle zu überbrücken, und schützen somit elektrische Systeme zu einem Bruchteil der Kosten einer batteriebetriebenen Alternative. Auch schaffen Ultrakondensatoren während ihrer Lebensdauer mehr als eine Millionen Ladezyklen – ein enorm wichtiger Faktor bei Betrachtung der Spannungs- und Frequenzregelung auf Netzebene.

(na)