Unterbrechungsfreie Stromversorgungen Ultrakondensator-USV gegen Spannungseinbrüche und Mikrounterbrechungen

Autor / Redakteur: Henning Stoppel * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Bei kurzzeitigen Spannungseinbrüchen können komplette Produktionsanlagen ausfallen. Dagegen helfen beispielsweise USV-Systeme auf der Basis von Ultrakondensatoren.

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Industrieroboter im Einsatz: Kurzzeitige Einbrüche der Versorgungsspannung können sie zum Ausfall bringen.
Industrieroboter im Einsatz: Kurzzeitige Einbrüche der Versorgungsspannung können sie zum Ausfall bringen.
(Bild: ©sompong_tom - stock.adobe.com)

Kurzzeitige Versorgungsunterbrechungen sind die häufigsten Probleme in der Stromversorgung mit weitreichenden Folgen für die Industrie. Bereits 2012 waren 72 Prozent der Störungen in der Stromversorgung auf Spannungseinbrüche und Mikrounterbrechungen von unter einer Sekunde zurückzuführen. Dies geht aus einem Netzmonitoring des Verbandes der Industriellen Energie- und Kraftwirtschaft e.V. (VIK) hervor.

Auch eine Studie der IHK in Bayern aus 2017 belegt diese Entwicklungen. Ursachen dafür sind zum Beispiel Kurzschlüsse im Verteilnetz, Blitzeinschläge, die Zu- oder Abschaltung von Kraftwerken oder volatile Energieerzeuger wie Wind- und Solarparks. Die typische Dauer solcher Unterbrechungen beträgt zwischen 300 und 500 ms.

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Gemäß der Norm EN 50160, welche die Energieversorgungsqualität in öffentlichen Stromnetzen definiert, ist ein Spannungseinbruch immer dann gegeben, wenn die Nennspannung für mindestens 10 ms auf weniger als 90 Prozent der vertraglich vereinbarten Versorgungsspannung fällt.

Da Technologien und Produktionsprozesse immer komplexer werden, reagieren die verwendeten elektronischen Bauteile und Steuerungselemente der Produktionsanlagen besonders empfindlich auf solche Spannungseinbrüche oder Mikrounterbrechungen. Sie führen zu Störungen bis hin zu kompletten Systemausfällen. Bis zur Wiederherstellung des normalen Betriebsablaufes können Minuten, Stunden oder sogar mehrere Tage vergehen, wenn defekte Bauteile repariert oder ersetzt werden müssen. Zudem entstehen häufig auch Schäden an Materialien und Produkten, die nachbearbeitet oder neu gefertigt werden müssen. Für die betroffenen Unternehmen ist dies mit einem enormen Aufwand und massiven wirtschaftlichen Schäden verbunden.

USV-Systeme für reibungslosen Betrieb

Technische Anlagen, mit denen Unternehmen sich gegen solche Störungen rüsten können, sind unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV). In der Regel kommen batteriegestützte Lösungen, rotierende Systeme mit Schwungmassen oder Ultrakondensatoren zur Zwischenspeicherung der Energie zum Einsatz. Die Technologien unterscheiden sich in den Einsatzbereichen sowie in der Höhe der Anschaffungs- und Betriebskosten zum Teil erheblich.

Batteriegestützte USV-Systeme werden häufig dezentral zum Schutz einzelner Produktionskomponenten genutzt. Sie sind kostengünstig und speichern die Energie durch chemische Reaktionen. Sie unterliegen dabei jedoch einer zeitbedingten Alterung mit abnehmender Zuverlässigkeit. Aus diesem Grund müssen die Akkus schon nach wenigen Jahren ausgetauscht werden.

Zentrale Absicherung kompletter Anlagen

Rotierende USV-Anlagen eignen sich aufgrund höherer Leistungen und einer langen Lebensdauer zur zentralen Absicherung kompletter Anlagen. Die Investitionskosten sind jedoch hoch. Weitere Kosten entstehen durch die erforderliche Durchführung jährlicher Wartungen sowie durch den regelmäßigen Austausch von Verschleißteilen.

Das USV-System auf Basis von Ultrakondensatoren des deutschen Herstellers Freqcon – Ultracapacitor Uninterruptible Power Supply (U-UPS) – ist speziell für die Überbrückung von kurzen Spannungseinbrüchen bis 10 s in Niederspannungs- und Mittelspannungsnetzen konzipiert und bietet hier einen besonders wirtschaftlichen Einsatz. Im Vergleich zu den anderen USV-Lösungen sind die Anschaffungs-, Energie- und Betriebskosten bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad und geringen Verlusten deutlich niedriger.

Funktionsweise von Ultrakondensator-USVs

Die U-UPS-Lösung von Freqcon reagiert auf eintretende Spannungseinbrüche oder Mikrounterbrechungen und übernimmt automatisch in weniger als 10 ms die Lastversorgung. Dabei trennt der integrierte Freqcon Fast Disconnector (FFD) die Stromversorgung vom öffentlichen Netz und erzeugt mit der in den Ultrakondensatoren gespeicherten Energie ein eigenes isoliertes Netz. Dieses Inselnetz verwendet die gleiche Nennspannung, den gleichen Phasenwinkel und die gleiche Frequenz wie das öffentliche Netz.

Stellt das Übertragungsnetz die erforderliche Spannung wieder bereit, synchronisiert sich das System automatisch innerhalb weniger Millisekunden mit dem öffentlichen Netz und stellt die Verbindung dazu wieder her. Im Normalbetrieb werden die Ultrakondensatoren der U-UPS-Lösung vom öffentlichen Netz lediglich aufgeladen. Diese Funktionsweise gilt sowohl für Anwendungen im Niederspannungs- als auch im Mittelspannungsbereich.

Das U-UPS-System ist „offline“ mit dem Netz verbunden

Aufgrund der Lasttrennung und Erzeugung eines Inselnetzes im Störungsfall mithilfe des FFD ist das U-UPS-System „offline“ mit dem Netz verbunden. Die Verbraucherlast fließt also nur bei aktiviertem FFD durch dieses System. Dadurch wird der Leistungsverlust im Vergleich zu herkömmlichen „Online“-UPS Systemen um mehr als 80 Prozent reduziert.

Dauert der Spannungsabfall länger an und die in den Ultrakondensatoren gespeicherte Energie reicht für die Lastversorgung des Produktionssystems nicht mehr aus, wird die Anlage automatisch ohne Synchronisation mit dem öffentlichen Stromnetz verbunden. Demnach wird das abzusichernde System immer mit der besten verfügbaren Stromqualität versorgt – entweder über U-UPS-Lösung oder über das Versorgungsnetz.

Besondere Lösung für Mittelspannungsnetze

Für Anwendungen im Mittelspannungsbereich (MV) bietet Freqcon eine leistungsfähige Back-to-Back-U-UPS-Lösung. Dabei werden zwei AC/DC-Umrichter über einen gemeinsamen DC/DC-Umrichter mit dem Energiespeicher verbunden. Im Falle von Spannungseinbrüchen und Mikrounterbrechungen ist dies die ideale Lösung, um die MV-Last und das MV-Netz je nach Situation und Anforderung gleichzeitig oder getrennt voneinander zu sichern und ein bidirektionales Laden der Energiespeicher zu ermöglichen. Bei Bedarf kann die U-UPS-Lösung zeitgleich Leistung und Blindleistung liefern, um Last und Netz gleichermaßen zu unterstützen.

Viele Einsatzmöglichkeiten und Vorteile

Der Einsatz von U-UPS eignet sich insbesondere für industrielle Bereiche, die aufgrund zeitkritischer Workflows und vernetzter Fertigungssysteme besonders störungsempfindlich sind. Dazu gehören beispielsweise Anlagen in der Automobilindustrie, in Rechenzentren, in der Halbleiterfertigung, in Hochgeschwindigkeits-Verpackungslinien oder in der Lebensmittel-, Chemie- und Pharmaproduktion.

Das U-UPS-System ist für einen 20-jährigen Dauerbetrieb in einem solchen industriellen Umfeld mit geringem Wartungsaufwand ausgelegt. Dank der eingesetzten leistungsfähigen und robusten Multi-Source-Umrichter-Technologie (MSC) können Netzstörungen von Sekunden bis hin zu mehreren Minuten reibungslos überbrückt werden. Um mehrstündige Störungen zu kompensieren, können zusätzlich Batteriespeicher oder Generatoren integriert werden. Darüber hinaus ist es möglich, flexibel weitere Netzdienstleistungen wie Primärregelleistung auszuführen, zusätzliche DC- oder AC-Quellen wie Photovoltaik- oder Windkraftanlagen einzubinden und zum Beispiel ein Microgrid zu erzeugen.

Ultrakondensatoren ohne seltene Metalle oder Alkalimetalle

Die Ultrakondensatoren bestehen hauptsächlich aus Kohlenstoff und Aluminium. Seltene Metalle wie Kobalt oder Alkalimetalle wie Lithium sind nicht enthalten. Aufgrund ihres elektrochemischen Aufbaus bieten die Ultrakondensatoren sehr schnelle Lade- und Entladezeiten sowie mit bis zu 1 Mio. Zyklen eine sehr hohe Lebensdauer.

Die Leistungsbereiche des U-UPS-Systems sind von 170 kW bis hin zu 5 MW projektspezifisch skalierbar. Es kann sowohl als System für die Installation im Innenbereich als auch als schlüsselfertige, transportfähige Containerlösung konzipiert werden. Optional bietet das System auch eine Statcom-Funktionalität zur Blindleistungskompensation.

U-UPS in der Automobilproduktion – schnelle Amortisation der Kosten

Infolge von jährlich bis zu 50 Spannungsunterbrechungen im Stromübertragungsnetz von unter 1 s kam es in den Produktionsbetrieben eines tschechischen Automobilherstellers regelmäßig zu Stillständen der vollautomatisierten Lackierstraße für Fahrzeugkarossen. Die Roboter schalteten sich bereits bei Unterbrechungen ab 0,2 s ab, sodass die Lackierarbeiten abrupt zum Erliegen kamen. Der finanzielle Schaden, der durch den Produktionsausfall von bis zu 6 h, durch die Wiederaufnahme der Robotertätigkeit sowie für die Ausbesserung der beschädigten Fahrzeugteile entstanden war, war beträchtlich. Aufgrund der Netzstörungen waren etwa 900 Fahrzeugkarossen pro Jahr von einer fehlerhaften Lackierung betroffen.

Zwei U-UPS-Systeme bei ŠKO-Energo

Im Auftrag des Unternehmens Local Energies lieferte Freqcon an dessen Kunde, ŠKO-Energo, zwei U-UPS-Systeme. Diese sind im Besitz von Local Energies und werden für den Endkunden betrieben. ŠKO-Energo selbst ist seit 1995 für die Energieversorgung sowie für den Betrieb und die Wartung der Energieanlagen des Automobilherstellers verantwortlich ist. So konzipierte Freqcon 2018 für den Produktionsstandort Mladá Boleslav eine 400-V-Turnkey-Containerlösung aus einem Multi-Source-Umrichter und Ultrakondensatorspeicher mit einer Leistung von 1 MW für Spannungseinbrüche bis 1,5 s und verantwortete deren Inbetriebnahme. An einem weiteren Standort – in Kvasiny – entstand 2019 ebenfalls eine 400-V-Anlage, die mit einer Leistung von 500 kW Spannungseinbrüche bis zu 2 s überbrückt.

Seit dem Einsatz der U-UPS-Lösung von Freqcon führte keiner der kurzen Spannungseinbrüche im Übertragungsnetz zu Unterbrechungen in den Lackierstraßen. Während des gesamten Überbrückungsprozesses gewährleistet das System eine gleichbleibende Stromqualität, sodass es weder zu Fehlermeldungen noch zu einem Stillstand der empfindlichen Lackierroboter kommt. Im Hinblick auf die zuvor entstandenen Ausfall- und Reparaturkosten amortisierte sich die Investition in die U-UPS-Anlage bereits innerhalb weniger Monate. Zudem sind die Betriebskosten sehr gering.

* Henning Stoppel ist Technical Sales Manager bei der Freqcon GmbH.

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