USV-Redundanzkonzepte

Begriffsklärung

Redundanz:
Unter Redundanz versteht man das Vorhandensein von mehr funktionsbereiten technischen Mitteln als zur Erfüllung der vorgesehenen Funktion notwendig sind.*
Dies bedeutet, ein System oder einen Baustein mehr zur Verfügung zu haben, als eigentlich notwendig. So bleibt beim Ausfall einer Komponente die Systemfunktion erhalten.
* Quelle: Büdenbender, Ulrich / Heintschel von Heinegg, Wolff / Rosin, Peter: Energierecht I – Recht der Energieanlagen, New York 1999.

Versorgungskonzepte:
Grundsätzlich können die Stromversorgungskonzepte mit ein oder zwei Pfaden umgesetzt werden:

USV-Redundanzkonzepte

Beispiel: 100kW Last mit einem Pfad

Fall 1: Einzelanlage, 100 % belastbar (ohne Redundanz)
→ fällt die Anlage aus, steht keine sichere Stromversorgung mehr zur Verfügung.

Fall 2: N+1 mit 2x 100kW parallel, jede Anlage 50 % belastbar
→ häufige Praxis: Die USV-Leistung wird zum Zweck der Redundanz verdoppelt. Bei einer Belastung von über 50 % könnte eine Anlage die Last nicht übernehmen, wenn die zweite Anlage ausfällt.

Fall 3: N+1 mit 3x 50kW parallel, jede Anlage 67 % belastbar
→ In diesem Fall wird die N+1 Konfiguration nicht durch eine Leistungsverdoppelung umgesetzt, sondern mit kleineren Leistungsbausteinen (Modulen) mit je 50kW. Ein Modul ist somit für die Redundanz vorhanden. Jede Anlage/jedes Modul kann höher belastet werden, sodass die USV-Systeme in diesem Fall effizienter betrieben werden.
Dieser Fall ist prädestiniert für einschubmodulare Systeme. Die Konfiguration könnte zwar auch mit Block-USV-Systemen realisiert werden, jedoch nur mit weitaus höheren Aufwendungen in der Infrastruktur, was Bypässe, Stromversorgungen und Batterieanlagen betrifft.

Fall 4: N+2 mit 4x 50kW parallel, jede Anlage 50 % belastbar
→ Die Konfiguration aus Fall 3 kann beliebig erweitert werden um einen zusätzlichen 50kW Baustein (N+2, N+3, …). Dies erhöht zwar die Redundanz, hat aber zur Folge, dass die Module wieder weniger belastet werden, wodurch die Konfiguration ineffizienter wird.

Beispiel: 100kW Last mit zwei Pfaden

Fall 1: Zwei Pfade (A+B), 2x 100kW parallel, jede Anlage 50 % belastbar
→ Bei dieser sogenannten 2N Konfiguration werden zwei Anlagen autark voneinander parallel betrieben. Die Belastung einer Anlage liegt bei 50 %.

Fall 2: Zwei Pfade, je 2x 100kW parallel, jede Anlage 25 % belastbar
→ Die USV-Leistung wurde in jedem Pfad verdoppelt, sodass pro Pfad zwei Systeme mit je 100kW zur Verfügung stehen, was eine Gesamt-Leistung von 400kW ergibt. Dies führt zu einer noch niedrigeren Belastung der einzelnen Anlagen, sodass diese Konfiguration nicht anstrebenswert ist.

Fall 3: Zwei Pfade, je 3x 50kW parallel, jede Anlage 33 % belastbar
→ Pro Pfad wurde die Redundanz durch kleinere Leistungsmodule geschaffen. Die Gesamt-Leistung beträgt so nur noch 300kW, sodass die Anlagen besser ausgelastet werden und sie somit effizienter im Betrieb sind.

Effizienzsteigerung durch einschubmodulare Systeme

Wird eine N+1 Konfiguration mit einer Block-USV-Anlage umgesetzt, so ergibt sich am Beispiel von 100kW Last eine Gesamtleistung von 200kW – zusammengesetzt aus 100kW Last und 100kW Redundanz.
Wird dagegen eine einschubmodulare USV-Anlage mit 50kW-Modulen eingesetzt, so wird die benötigte Leistung von 100kW durch zwei Module abgedeckt und nur ein zusätzliches Modul und somit nur 50kW werden als Redundanz benötigt. Dies ergibt eine Gesamtleistung von 150kW.
Eine N+1 Konfiguration mit 25kW-Modulen ergibt so sogar nur eine Gesamtleistung von 125kW, was einer Einsparung von 37,5 % gegenüber der Block-USV-Anlage ergibt.

Einsparpotenzial

Während Block-USV-Systeme bei Belastungen von über 50 % typischerweise Wirkungsgrade von unter 90 % haben, so erreichen einschubmodulare USV-Anlagen der Firma Wöhrle bereits bei einer niedrigen Auslastung Wirkungsgrade von 96 % und höher:

Ein Einsparpotenzial von 2% klingt wenig, macht in der genauen Betrachtung jedoch sehr viel aus in Bezug auf Stromverbrauch, Energiekosten und CO₂-Ausstoß. Werfen Sie einen Blick in unser Whitepaper „USV-Repowering ist Klimaschutz“ und erfahren Sie, wie es bei einer Verbesserung des Wirkungsgrades zu Einsparungen von mehreren Tausend Euro pro Jahr kommt.

Weitere Effizienzsteigerung durch „Leistungsvirtualisierung“

Unsere USV-Module verfügen über einen Hibernation-Mode. Die USV-Module können damit so eingestellt werden, dass sie z.B. alle 14 Tage automatisch wechseln und sich für diese Zeit im Schlafmodus befinden. Der Wechselrichter des Moduls ist für diese Zeit nicht aktiv, bei Bedarf schaltet sich das Modul jedoch automatisch hinzu. Der Vorteil dabei ist nicht nur die Steigerung der Effizienz, sondern auch die Schonung der Bauteile, da Verschleißteile wie Kondensatoren in dieser Zeit geschont werden

Hot-Swap-Fähigkeit

Einzelne Module können außerdem im laufenden Betrieb getauscht werden, ohne Abschaltung der Anlage oder Umschaltung auf den Bypass. Dies ergibt einen enormen Vorteil bei Service- und Wartungsmaßnahmen und macht es möglich, dass diese schnell und effizient durchgeführt werden können, ohne auf die Versorgungssicherheit der Last in diesem Zeitraum zu verzichten.

Vorteile von einschubmodularen USV-Systemen auf einen Blick

Effizienz³