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23.11.2018

Modulare Stromversorgungssysteme in industriellen Anwendungen

Die modulare Technologie bietet bei Design und Betrieb von USV-Systemen wichtige Vorteile – sowohl im technischen als auch im wirtschaftlichen Bereich. 

ENERTRONIC modular SE, 40-kW-Modul  

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

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 modulare Technologie bisher nur sehr langsam verbreitet. Eine Entwicklung, die zum Teil auf ein begrenztes Wissen über die Bedeutung und Funktion sog. „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 vierten von fünf Artikeln unserer „ilities“-Serie steht der Begriff „Flexibilität“ im Mittelpunkt. Diesen werden wir im Zusammenhang mit der zunehmend bedeutsamen modularen Technologie erläutern und im Anschluss daran aufzeigen, wie die flexible Auslegung eines Stromversorgungssystems dazu beiträgt, wechselnden Anforderungen bestmöglich nachzukommen.

Flexibilität

In früheren Artikeln dieser Serie haben wir „Modularität“ definiert und aufgezeigt, wie modulare USV-Systeme so konzipiert werden können, dass sie eine Maximierung der Systemverfügbarkeit oder eine Minimierung der Gesamtbetriebskosten (Total Cost of Ownership) sicherstellen. Nun geht es darum, ein flexibel einsetzbares modulares System zu konfigurieren. Dieses soll es dem Betreiber ermöglichen, in Abhängigkeit von dem jeweiligen Einsatzzweck wahlweise zwischen der Auslegung auf maximale Verfügbarkeit oder auf minimale Betriebskosten zu wechseln.

Bestimmung der Funktionsmerkmale

Während der Planung des Stromversorgungssystems werden die für das Projekt benötigten Anforderungen an die Stromversorgung definiert. Der verantwortliche Planer wird diese hinsichtlich der Aufgabenerfüllung priorisieren und dabei Kompromisse eingehen müssen. Handelt es sich zum Beispiel um eine betriebskritische Anwendung, so wird er voraussichtlich die Verfügbarkeit höher bewerten als die Betriebskosten.
Diese Festlegung stellt kein Problem dar, wenn sichergestellt ist, dass sich die Anforderungen während der gesamten Lebensdauer des Systems (typischerweise 20 bis 25 Jahre) nicht verändern. Da wir jedoch in einer sich ständig wandelnden Welt leben, können Garantien wie diese nur selten gegeben werden. Die Gefahr besteht daher darin, dass ein System, welches ursprünglich exakt auf die Anforderungen des Betreibers zugeschnitten wurde, zu einem späteren Zeitpunkt unter veränderten Bedingungen nicht mehr passt. Ein Risiko, das für den Betreiber schnell zu einem kostspieligen Problem werden kann.

Ein idealtypisches System ist so konzipiert, dass es sich schnell und einfach an aktuelle Anforderungen des Standorts bzw. der kritischen Last anpassen lässt.
Die Leistung einer solchen Stromversorgung kann z. B. ohne großen Aufwand erweitert oder reduziert werden (siehe Artikel „Skalierbarkeit“), um eine Optimierung der TCO und somit Maximierung der Wirtschaftlichkeit sicherzustellen.
Das nachträgliche Hinzufügen zusätzlicher Leistungseinschübe garantiert zudem eine parallele Redundanz (z. B. n+n), sobald eine maximale Systemverfügbarkeit erforderlich ist. Darüber hinaus wird eine Verlagerung der Stromkapazität von System zu System ermöglicht, wenn sich die Anforderungen der kritischen Last über zahlreiche Systeme hinweg verändern.

Mit dem oben beschriebenen idealtypischen System können wir „Flexibilität“ als die Fähigkeit eines Systems definieren, sich an die veränderten Anforderungen des Betreibers anzupassen. Ein Funktionsmerkmal, welches die Zukunftssicherheit der Stromversorgung nachhaltig positiv beeinflusst.
Im Folgenden werden wir anhand eines Beispiels zeigen, wie die inhärente Flexibilität einer auf Einschüben basierenden modularen USV-Anlage dazu beiträgt, ein System zukunftssicher zu machen und dadurch dem Anlagenbetreiber zahlreiche wirtschaftliche und operative Vorteile zu verschaffen.

 

Beispiel eines flexiblen Systemdesigns

Nehmen wir an, ein Unternehmen aus dem Bereich der chemischen Industrie entscheidet sich für die Durchführung eines Experimentes. Dieses sieht die Inbetriebnahme einer Produktionslinie vor, welche eine USV-Leistung von 60 kW benötigt.
Das dafür zur Verfügung stehende Budget ist sehr begrenzt – und da die experimentelle Produktlinie keinen betriebskritischen Prozess darstellt, sind bei der technischen Auslegung des USV-Systems die Gesamtbetriebskosten von höherer Bedeutung als eine maximale Systemverfügbarkeit. Eine Redundanzbildung ist daher zu diesem Zeitpunkt nicht notwendig und es reicht aus, zwei 40-kW-Module zu installieren (siehe umseitig: Phase 1), um die kritische Last ausreichend zu versorgen.

Nehmen wir an, dass das Experiment des Unternehmens sich als großer Erfolg erweist. Folglich wird die Produktionslinie um 50 % erweitert, wodurch die benötigte USV-Leistung von 60 kW auf 90 kW ansteigt. Dieser neuen Anforderung kommt man durch das einfache Hinzufügen eines zusätzlichen 40-kW-Moduls nach (siehe Phase 2).
Auf diese Weise wird man der erhöhten Last gerecht, ohne die anfänglich definierte Notwendigkeit der niedrigsten TCO zu vernachlässigen.

Begeistert von der Leistungsfähigkeit der ursprünglich als Experiment vorgesehenen Produktionslinie, beschließen die Direktoren, die Serienproduktion des neuen Medikamentes zu starten. Dazu soll die bestehende Produktionslinie entsprechend ausgebaut werden. Mit dieser Entscheidung ändern sich auch die Anforderungen an das USV-System – denn ein Netzausfall während der Produktion würde dazu führen, dass die gesamte Charge vernichtet werden muss.

Für den Betreiber wären damit Kosten im Bereich von mehreren zehntausend Euro verbunden. Folglich entscheidet man sich dazu, die USV-Anlage mit einem zusätzlichen 40-kW-Modul zu erweitern (siehe Phase 3), um eine n+1 Redundanz herzustellen und der neuen Anforderung einer maximalen Verfügbarkeit somit gerecht zu werden.

Wir nehmen nun an, dass das Unternehmen aufgrund steigender Umsätze eine neue, deutlich größere Produktionsstätte bezieht, die rund 30 Autominuten vom ursprünglichen Standort entfernt liegt. Dorthin soll auch das erst drei Jahre alte modulare USV-System verlagert werden. Schnell stellt sich jedoch heraus, dass die damit verbundenen Prozesse der Stilllegung, Deinstallation, Verlagerung, Neuinstallation und Wiederinbetriebnahme zu viel Zeit in Anspruch nehmen.
Die Lösung besteht nun darin, einen leeren modularen USV-Schrank in der neuen Produktionsstätte zu installieren und in Betrieb zu nehmen (siehe Phase 4).

Nach Abschaltung der alten Produktions­anlage werden die vier dort vorhandenen USV-Module dem Stromversorgungssystem entnommen, mit dem Auto zur neuen Produktionsstätte gefahren sowie dort in den neuen modularen USV-Schrank eingebaut und wieder eingeschaltet (siehe Phase 5). Da die neue Produktionsstätte nur 30 Autominuten entfernt ist, dauert der gesamte Prozess insgesamt weniger als 90 Minuten.

Das Unternehmen beschließt nun, am ursprünglichen Standort eine weitere experimentelle Produktlinie aufzubauen – mit einer USV-Leistung von 30 kW.
Das dafür zur Verfügung stehende Budget ist erneut nur sehr gering. Ebenso erweist sich das verwendete USV-System als nicht prozesskritisch für die eigentlichen, im Kerngeschäft produzierenden Produktlinien, sodass den TCO eine größere Bedeutung als der Systemverfügbarkeit zukommt.

Um dieser Anforderung gerecht zu werden, integriert man ein einzelnes 40-kW-Modul im ursprünglichen modularen USV-Systemschrank, und der gesamte Zyklus der experimentellen Produktionslinie beginnt von Neuem (siehe Phase 6).

Das obige Beispiel verdeutlicht die Flexibilität einer echten modularen USV-Anlage als einfache und kostengünstige Möglichkeit zur:

  • Erhöhung der Anlagenkapazität
  • Verlagerung der Prioritäten von maximaler Wirtschaftlichkeit zu höchster Verfügbarkeit
  • Umlagerung in neue Räumlichkeiten
  • Reduzierung der Systemkapazität, um die Priorität wieder auf die TCO zu legen

Integrierte Intelligenz für echte Flexibilität

Im oben aufgeführten Beispiel musste das Unternehmen verschiedene Maßnahmen treffen, um das System an die sich ändernden Anforderungen anzupassen.
Diese Vorgehensweise ist durchaus legitim. In manchen Fällen wäre es jedoch von Vorteil, wenn das System selbst intelligent genug ist, Entscheidungen zu treffen und automatisierte Maßnahmen zu ergreifen, um die Systemverfügbarkeit zu maximieren oder die TCO zu minimieren.
Natürlich sollte eine solche Entscheidungs­fähigkeit so konfigurierbar sein, dass der Anlagenbetreiber die vollständige Systemkontrolle behält. Eine derart integrierte Intelligenz würde die Flexibilität des Systems noch weiter erhöhen.
Modulare Systeme mit intelligenten Modulen, die eine parallele Redundanz (z. B. n+1) oder parallele Kapazität (z. B. n+0) gewährleisten, zeichnen sich durch ein besonders hohes Maß an Flexibilität aus. Sie sind in der Lage, in Abhängigkeit von der gerade notwendigen Last oder ausgeführten Funktion selbst zu entscheiden, ob sie parallel ebenso zur Leistungserbringung beitragen oder als Sicherheit (n+1) redundant bzw. im optimalen Leistungsbereich geschaltet sind.

Reduzierung des Stromverbrauchs

Ebenso sind intelligente modulare Systeme in der Lage, zu jedem Zeitpunkt nur exakt jene Anzahl von USV-Modulen in Betrieb zu nehmen, die für die Stromversorgung der kritischen Last erforderlich ist.
Alle „überschüssigen“ Module werden in einen Ruhezustand versetzt. Folglich arbeitet das System ganz automatisch so effizient wie möglich und stellt eine permanente Stromversorgung sicher.

Steigt die kritische Last, wird vom Ruhezustand automatisch wieder in den Normal­betrieb geschaltet – und für den Fall, dass die kritische Last weiter sinken sollte, wird ein weiteres Modul inaktiv gesetzt. Diese Fähigkeit reduziert den Stromverbrauch und optimiert somit auch die TCO des Systems.

Fazit

Bei industriellen USV-Anlagen mit einer Lebensdauer von mehr als 20 Jahren besteht eine der größten Herausforderungen für Systementwickler darin, das Anlagendesign zukunftssicher zu gestalten, so dass eine wahlweise Anpassung an veränderte Anforderungen des Standorts oder der kritischen Last jederzeit möglich ist.

Auf Einschüben basierende modulare Stromversorgungen sind speziell für diese Anforderungen konzipiert. Sie lassen sich schnell und einfach an aktuelle Anforderungen des Standorts bzw. der kritischen Last anpassen und priorisieren – je nach Anforderung entweder höchste Systemverfügbarkeit oder niedrigste Gesamtbetriebskosten. USV-Module mit einer vom Benutzer konfigurierbaren integrierten Intelligenz erhöhen automatisch die Systemflexibilität, ohne dem Anlagenbetreiber die vollständige Systemkontrolle zu entziehen.

Der nächste und letzte Artikel in der Reihe „ilities“ wird sich mit dem Thema Wartung befassen. Hier soll erläutert werden, wie die Wahl der richtigen USV-Topologie die Service­kosten senkt, die lokalen Ersatzteilbestände minimiert und eine schnelle Erst-Fehlerbe­hebung ermöglicht, so dass die System­verfügbarkeit maximiert und die TCO minimiert werden.

Weitere Informationen

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

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