Ultrakondensator-USV gegen Spannungseinbrüche und Mikrounterbrechungen

Der Megawatt-Container

Kurzzeitige Versorgungsunterbrechungen, z.B. durch Kurzschlüsse im Verteilnetz, Blitzeinschläge oder die Zu- und Abschaltung von Kraftwerken, können in der Industrie weitreichende Folgen haben. Denn die in den Produktionsanlagen verbauten elektronischen Bauteile und Steuerungselemente reagieren oft sehr empfindlich. In der Folge drohen Störungen im Prozess oder sogar komplette Systemausfälle - mit massiven wirtschaftlichen Schäden für die betroffenen Unternehmen. Abhilfe schaffen hier moderne USV-Lösungen.
 U-UPS als schlüsselfertige Containerlösung.
U-UPS als schlüsselfertige Containerlösung.Bild: Freqcon GmbH

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 einigen Jahren ausgetauscht werden. 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 regelmäßige Wartungen und den Austausch von Verschleißteilen.

Das USV-System U-UPS auf Basis von Ultrakondensatoren des deutschen Herstellers Freqcon ist speziell für die Überbrückung von kurzen Spannungseinbrüchen bis 10s konzipiert. Im Vergleich zu anderen USV-Lösungen sind die Anschaffungs-, Energie- und Betriebskosten niedriger – bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad und geringen Verlusten.

 Systemaufbau von U-UPS für Niederspannungsanwendungen
Systemaufbau von U-UPS für NiederspannungsanwendungenBild: Freqcon GmbH

Automatische Reaktion

Die U-UPS-Lösung reagiert auf eintretende Spannungseinbrüche oder Mikrounterbrechungen und übernimmt automatisch in weniger als 10ms 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 mit dem öffentlichen Netz und stellt die Verbindung dazu wieder her. Im Normalbetrieb werden die Ultrakondensatoren vom öffentlichen Netz lediglich aufgeladen. Diese Funktionsweise gilt für Anwendungen im Niederspannungs- als auch Mittelspannungsbereich.

Durch die 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 das 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.

Einsatzmöglichkeiten und Vorteile

Der Einsatz von U-UPS eignet sich insbesondere für industrielle Bereiche, die durch zeitkritische Workflows und vernetzte Fertigungssysteme besonders störungsempfindlich sind. Das System ist für einen 20-jährigen Dauerbetrieb im industriellen Umfeld mit geringem Wartungsaufwand ausgelegt. Durch die eingesetzte 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.

Die Ultrakondensatoren bestehen hauptsächlich aus Kohlenstoff und Aluminium. Aufgrund ihres elektrochemischen Aufbaus bieten die Ultrakondensatoren sehr schnelle Lade- und Entladezeiten sowie mit bis zu 1 Million Zyklen eine sehr hohe Lebensdauer. Die Leistungsbereiche des U-UPS-Systems sind von 170KW bis 5MW projektspezifisch skalierbar. Es kann als System für die Installation im Innenbereich als auch als schlüsselfertige, transportfähige Containerlösung konzipiert werden.

Schnelle Amortisation der Kosten

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

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