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14.12.2017

Modulare Stromversorgungssysteme in industriellen Anwendungen

Das Prinzip der Modularität bietet bei Design und Betrieb von USV-Systemen wichtige technische und wirtschaftliche Vorteile.

Modulare Stromversorgungs- und Wandlertechnologien

Modulare Stromversorgungs- und Wandlertechnologien werden bereits seit vielen Jahren erfolgreich in verschiedenen Marktsegmenten (z. B. Medizin oder Telekommunikation) eingesetzt. Auch im Bereich der Computertechnik und Softwareentwicklung ist das Prinzip der Modularität schon lange Zeit ein wichtiger Bestandteil, da die Verwendung vorgefertigter Softwarebausteine bei der Erstellung eines neuen Systems erhebliche Zeiteinsparungen ermöglicht. In industriellen Anwendungen hingegen hat sich die Modularität bisher nur sehr langsam verbreitet. Eine Entwicklung, die zum Teil auf ein begrenztes Wissen über die Bedeutung und Funktion sogenannter „ilities“ zurückzuführen ist.

Der Begriff „ilities“ findet vor allem im englischen Sprachraum häufige Verwendung und beschreibt die an ein System gestellten Qualitätsmerkmale wie Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit, Skalierbarkeit, Flexibilität und Wartbarkeit. Im dritten von fünf Artikeln geht es um die Bedeutung des Begriffs „Skalierbarkeit“ im Zusammenhang mit der zunehmend verbreiteten modularen Technologie. Dabei wird u. a. auch aufgezeigt, wie die Skalierbarkeit zur Optimierung der Gesamtbetriebskosten (TCO) eines USV-Systems beitragen kann.

Skalierbarkeit

Stromversorgungssysteme für industrielle Anwendungen haben in der Regel eine Lebensdauer von 20 bis 25 Jahren. Die Wahl der richtigen Systemgröße zum Zeitpunkt der Installation ist also von großer Relevanz. 
Erweist sich das installierte System irgendwann als zu klein, so ist eine Aufrüstung oder ein Austausch des Systems erforderlich. Eine Maßnahme, die mit sehr hohen Investitionskosten verbunden sein kann (CAPEX-Problem).

Sollte das neu installierte System wiederum zu groß sein, hätte man die Investition in ein System mit geringerer Energieeffizienz und höheren Betriebs- und Wartungs­kosten verschwendet (OPEX­-Problem).

Erläuterung von CAPEX und OPEX

Mit dem Begriff CAPEX (Abkürzung für Capital Expenditure) sind Investitions­ausgaben eines Unternehmens gemeint, die bei einer einmaligen Anschaffung längerfristiger Anlagegüter (z. B. Geräte, Maschinen oder IT-Systeme) entstehen.

Im Gegensatz dazu bezieht sich der Begriff OPEX (Abkürzung für Operational Expenditure) auf operative Ausgaben, die ein Unternehmen in regelmäßigen Abständen tätigt, um die Funktionalität von Geschäftsabläufen und Systemen sicherzustellen. Dazu zählen z. B. Materialausgaben oder Personalkosten.

Zusammengefasst ergeben CAPEX und OPEX die TCO eines Unternehmens.

Das USV-System ist skalierbar und kann mit Ihren Anforderungen wachsen
Das USV-System ist skalierbar und kann mit Ihren Anforderungen wachsen.

Sowohl CAPEX- als auch OPEX-Probleme können erhebliche Auswirkungen auf die TCO haben. Ständig wechselnde betriebliche Anforderungen und der damit verbundene Wandel in der Anlagen- und Gerätetechnik machen es so gut wie unmöglich, die benötigte Leistung und die dazu optimale Systemgröße über einen Zeitraum von 20 bis 25 Jahren vorauszusagen. Aus diesem Grund werden fast alle Systeme zum Zeitpunkt der Installation zu groß ausgelegt.

Was sich für den Systemhersteller als profitabel erweist, bedeutet hingegen für den Systembetreiber, dass mit großer Wahrscheinlichkeit unnötig viel CAPEX in der Investitionsphase und OPEX jährlich fortlaufend während der Betriebsphase eingesetzt werden.

Der einzige Weg, um die TCO zu minimieren, ist daher die Installation eines Systems, das zu jeder Zeit die richtige Leistung aufweist. Skalierbare Systeme machen dies möglich.

Total Cost of Ownership (TCO)

Typische Wirkungsgradkurve einer transformatorlosen USV-Anlage
Typische Wirkungsgradkurve einer transformatorlosen USV-Anlage.

Bei einem Stromversorgungssystem haben hauptsächlich drei Faktoren Einfluss auf die TCO:

  • Erstinvestitionskosten
  • Leistungsverluste (eine Funktion der Systemeffizienz)
  • Laufende Wartungs- und Instandhaltungskosten

Wie diese Faktoren zusammenhängen und für ein USV-System optimiert werden können, das möglichst langlebig ist und an eine sich ständig ändernde Leistungsanforderung flexibel angepasst werden kann, soll im Folgenden erläutert werden. Das Problem dabei ist, dass sich diese Faktoren gegenseitig beeinflussen. Sie müssen also zusammen gleichermaßen betrachtet werden, um die optimale TCO zu erzielen. Doch was bedeutet das für jeden einzelnen dieser Faktoren

Erstinvestitionskosten
Hinterfragen Sie bei einem Systemvergleich, ob das System mit den niedrigsten Erstinvestitionskosten ebenfalls höchst energieeffizient arbeitet und qualitativ hochwertige Bauteile einsetzt. Sollte dies nicht der Fall sein, könnten sich die im Nachhinein anfallenden Betriebskosten höher darstellen als nötig. Ebenso wäre es wahrscheinlich, dass hohe Wartungs- und Instandsetzungskosten damit verbunden sind.

Leistungsverluste
Nehmen wir eine kritische Last von 100 kW an, so bedeutet eine Verringerung des Systemwirkungsgrades um 1 % eine Verlust­leistung von 1 kWh. Rechnet man dies auf ein ganzes Jahr hoch, ergibt sich bei einem Betrieb von 24 Stunden an 365 Tagen ein Verlust von 8.760 kWh. Bei einer Laufzeit von 20 Jahren entspricht das 175.200 kWh.
Betrachtet man diesen Verlust, so gilt es Folgendes zu berücksichtigen:

  1. Es sollte darauf geachtet werden, dass das Stromversorgungssystem stets im optimalen Bereich seiner Wirkungsgradkurve arbeitet.
  2. Die Energieeffizienz des Systems hat größeren Einfluss auf die TCO als die Erstinvestitionskosten.

Fast alle modernen „transformatorlosen“ USV-Systeme haben eine Wirkungsgradkurve, die relativ flach ist. In dem Diagramm oben können wir sehen, dass ein Wirkungsgrad von > 95 % bereits sehr früh erreicht wird, der optimale Systemwirkungsgrad (> 96 %) aber in einem Leistungsbereich von 35 % bis 60 % vorliegt.

Laufende Wartungs- und Instandhaltungskosten
Alle USV-Anlagen bestehen aus elektrischen und mechanischen Komponenten, die einer begrenzten Nutzungsdauer unterliegen. Damit das Stromversorgungssystem die erforderliche Verfügbarkeit über eine Betriebsdauer von 20 Jahren sicherstellen kann, bedarf es einer regelmäßigen Wartung und ggf. eines Austausches von Bauteilen.
Wenn, wie oben bereits angedeutet, ein zum Zeitpunkt der Erstinvestition preisgünstiges System unter Umständen mit Komponenten niedrigerer Qualität ausgestattet ist, so werden bei einer Lebensdauer von 20 Jahren wahrscheinlich auch die anfallenden Wartungskosten höher sein, da die Komponenten häufiger gepflegt bzw. ersetzt werden müssen. Daher ist es sinnvoll, mit dem USV-Lieferanten bereits vor dem Kauf über verschiedene Wartungsmöglichkeiten und die voraussichtlichen Wartungskosten zu sprechen.

Optimale Dimensionierung
Wie in den vorherigen zwei Artikeln der „ilities“-Serie werden wir auch in diesem Bezug nehmen auf die Rechenbeispiele des Artikels „Verfügbarkeit vs. Zuverlässigkeit“ (vgl. POWER news 8/2017).
D. h. wir gehen davon aus, dass die kritische Last des USV-Systems 120 kW beträgt und dass eine n+1 parallele Redundanz erforderlich ist. Da es sich in der Praxis jedoch nicht empfiehlt, eine USV kontinuierlich bei 100 % Last zu betreiben, werden wir eine Betriebsbelastung von 80 % (d. h. 96 kW) annehmen.

Beispiel 1: 1+1 parallel redundantes USV-System mit 120 kW Leistung auf Basis modularer Blocktopologie.

Beispiel 1: 1+1 parallel redundantes USV-System mit 120 kW Leistung auf Basis modularer Block­topologie
Beispiel 1: 1+1 parallel redundantes USV-System mit 120 kW Leistung auf Basis modularer Block­topologie.

In diesem Beispiel verwenden wir zwei 120 kW USV-Systeme. Wenn die kritische Last 96 kW beträgt, so wird jedes System zu 40 % (48 kW) belastet. Es handelt sich also um ein perfekt ausgelegtes System, das im optimalen Bereich der Wirkungsgradkurve arbeitet. Sowohl CAPEX als auch OPEX sind optimiert.
Wenn die kritische Last jedoch 60 kW beträgt, wird jeder USV-Schrank zu 25 % (30 kW) belastet. Folglich ist das System zu groß und arbeitet weniger effizient, was eine unnötig hohe CAPEX und auch OPEX bedeutet.

Sollte die benötigte Leistung im Laufe der Nutzungsdauer auf z. B. 125 kW ansteigen, so wird das System überlastet.
Das bedeutet, dass entweder die n+1 parallele Redundanz verloren geht oder ein zusätzlicher 120 kW USV-Schrank installiert werden muss – vorausgesetzt, dass die Standortinfrastruktur die Unterbringung eines weiteren Schranksystems zulässt.
Im schlimmsten Fall muss das vorhandene System durch ein anderes, leistungsfähigeres System ersetzt werden.
Ist die Installation eines weiteren 120 kVA USV-Schranksystems möglich, sodass ein 2+1 parallel redundantes System vorliegt, dann bedeutet die neue 125 kW Last, dass jeder USV-Schrank zu 34 % (41,6 kW) belastet wird. Folglich erweist sich das eingesetzte System als zu groß und arbeitet nicht mit optimaler Effizienz, was wiederum eine zu hohe CAPEX und OPEX zur Folge hat.

Beispiel 2: 3+1 parallel redundantes USV-System mit 120 kW Leistung auf Basis modularer Blocktopologie.

Beispiel 2: 3+1 parallel redundantes USV-System mit 120 kW Leistung auf Basis modularer Blocktopologie
Beispiel 2: 3+1 parallel redundantes USV-System mit 120 kW Leistung auf Basis modularer Blocktopologie.

In diesem Beispiel verwenden wir einen einzigen USV-Schrank, der in der Lage ist, fünf 40 kW USV-Module aufzunehmen, aber nur mit vier Modulen ausgestattet wird. Es gibt also noch einen freien Ersatz-Slot für ein zusätzliches 40 kW Modul.
Wenn die kritische Last 96 kW ist, wird jedes der vier 40 kW USV-Module zu 60 % (24 kW) belastet. Es handelt sich also um ein perfekt dimensioniertes System, das über eine optimale Energieeffizienz verfügt. Sowohl CAPEX als auch OPEX sind in diesem Fall optimiert.
Wenn jedoch die kritische Last nur noch 60 kW beträgt, wird jedes USV-Modul zu 37 % (15 kW) belastet, sodass das System überdimensioniert ist.
Auch in diesem Fall liegt eine Überinvestition vor – die Betriebs- und Wartungskosten hingegen sind akzeptabel, da das System immer noch in einem optimalen Bereich der Wirkungsgradkurve arbeitet.

Da das System modular aufgebaut ist, hat der Systembetreiber zwei Möglichkeiten:

  1. Er nutzt weiterhin alle vier Module und profitiert von n+2 paralleler Redundanz.
  2. Er lässt eines der Module entfernen oder ausschalten, was zu einer höheren Energieeffizienz beiträgt. Sobald ein Modul entfernt wird, beträgt die Belastung der drei verbleibenden Module je 50 % (20 kW), sodass das System in einem günstigen Wirkungsgradbereich betrieben wird.

Wenn die kritische Last plötzlich ansteigt, z. B. auf 125 kW, so wird das System überlastet. Dies bedeutet, dass entweder die n+1 parallele Redundanz verloren geht oder ein zusätzliches 40 kW USV-Modul installiert werden muss.

Da die Höhe des Systemschrankes bei der Installation bereits vorausschauend ausgelegt wurde, modular aufgebaut ist und über einen Ersatz-Slot für ein zusätzliches USV-Modul verfügt, erweist sich die Installation des Zusatzmoduls als schnell, einfach und verhältnismäßig kostengünstig. Die CAPEX und OPEX werden also weiterhin optimiert.

Schlussfolgerung

Ein System, das von seiner Größe her vom ersten Tag an perfekt auf die kritische Last ausgelegt ist und seine Kapazitäten entsprechend der kritischen Belastung erhöhen oder verringern kann, garantiert die niedrigste TCO.
Die Erstinvestitionskosten eines Systems sind in Bezug auf die TCO nicht der einzige wichtige Faktor. Die Energieeffizienz und die laufenden Instandhaltungskosten beeinflussen ebenfalls sehr stark die Gesamtbetriebskosten des Systems. Alle drei Faktoren müssen also gleichermaßen berücksichtigt werden.

Der Einsatz eines auf modularer Einschubtechnik basierenden USV-Schrankes, der bereits zum Zeitpunkt der Installation über einen oder mehrere freie Ersatz-Slots verfügt, führt nur zu einer geringfügigen Erhöhung der Erstinvestitionskosten, sichert die Investition jedoch langfristig ab, indem flexibel auf Zu- oder Abnahmen der kritischen Last umgestellt werden kann.

Im nächsten Artikel dieser Serie soll das Thema „Flexibilität“ im Mittelpunkt stehen. Es wird diskutiert, wie die Auswahl der richtigen USV-Topologie eine parallele Redundanz sicherstellt und wie auf Veränderungen in der benötigten Leistung flexibel reagiert werden kann.

Weitere Informationen

Kontakt: Alexander Prömel 
Telefon: +49 2871 93 238
E-mail: a.proemel@benning.de

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