Produktionsausfälle verhindern

Erfahren Sie, wie Sie mittels einer unterbrechungsfreien Stromversorgung sensible Produktionsprozesse vor unzureichender Spannungsqualität absichern und welche Rolle Energiespeicher dabei spielen.

Die Einhaltung der Spannungsqualität im deutschen Stromnetz wird zu einer wachsenden Herausforderung. Grund hierfür ist die zunehmende Einspeisung von volatilen erneuerbaren Energieerzeugern, wodurch vermehrt Schwankungen im Netz auftreten. Selbst Autobauer wie Daimler und Volvo setzen mittlerweile ihre – ursprünglich zum Fahrzeug- bzw. LKW-Antrieb entwickelten – Energiespeichersysteme in Form von Brennstoffzellen stationär zur Absicherung der Stromversorgung in kritischen Infrastrukturen ein[1].  Dabei waren fast drei Viertel aller Versorgungsstörungen in Deutschland Kurzunterbrechungen von weniger als einer Sekunde Dauer. Unterbrechungen bzw. Netzausfälle von mehr als drei Minuten machten mit sieben Prozent einen nur unwesentlichen Teil aus[2]. Kurzzeitenergiespeicher wie z.B. Kondensatoren, Schwungmasse- oder Batteriespeicher sind prädestiniert für die sofortige Bereitstellung großer Leistungen und damit optimal zur Absicherung von hochsensiblen Industrieprozessen oder kritischer Infrastruktur, wie z.B. Rechenzentren, geeignet. Dabei können diese Energiespeicher nicht nur im seltenen Störfall zum Einsatz kommen, sondern auch in der restlichen Zeit aufgrund weiterer Einsatzmöglichkeiten den Return on Investment  verkürzen. Beispielhaft genannt seien an dieser Stelle Spitzenlastkappung zur Netzentgeltreduzierung sowie aktives Energiemanagement in Kombination mit erneuerbaren Energien zur Senkung von Energiekosten. 

Absicherung sensibler Industrieprozesse 

Ein System zur Absicherung der unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) von Produktionsprozessen ist auf extrem kurze Nutzungszeiten ausgelegt (wenige Sekunden pro Jahr). Im Bedarfsfall muss diese allerdings verzögerungsfrei und zuverlässig funktionieren. Hersteller in der Lebensmittelindustrie kennen das Problem: Schon kleinste Spannungsschwankungen mit einer Dauer von wenigen Millisekunden reichen aus, um sensible Maschinen aus dem Tritt zu werfen. Man spricht in dem Fall von eingeschränkter Versorgungsqualität. Dabei ist es egal, ob die Netzbeeinflussung dem vorgelagerten Netz entstammt (beispielsweise durch Schalthandlungen), auf Schwächen im eigenen Betriebsnetz oder auf einen kompletten Netzausfall zurückzuführen ist. Der mögliche Schaden reicht von verlorenen Lebensmittelchargen über abgerollte Papierwalzen bis hin zum weitreichenden Ausfall der Produktionssteuerung, stets verbunden mit stundenlangen Ausfallzeiten, Produktionsunterbrechungen sowie ggf. Entsorgungskosten und beziffert sich in vielen Fällen schnell auf mehrere Zehntausend Euro. Je nachdem welches Netzgebiet man betrachtet, kommen solche Störungen in hoher, einstelliger Zahl pro Jahr vor. Die Höhe des betriebswirtschaftlichen Schadens ist somit schnell nachvollziehbar. 

Da der Speicher für die USV vor allem auf hohe Leistungen, nicht jedoch notwendigerweise auf große Kapazitäten ausgelegt sein muss, kann der Einsatz von Hochleistungsbatterien zu einer schnellen Wirtschaftlichkeit der USV-Absicherung beitragen. Ebenso zeigt sich in der Bedarfsanalyse, welche Produktionsprozesse tatsächlich abzusichern sind, sodass die Kosten optimiert werden. Hinzu kommt die schon angesprochene mögliche Zusammenlegung mehrerer Einnahmequellen, das sogenannte revenue stream stacking, wodurch sich die Investition noch schneller bezahlt macht. Eine Hybridlösung mit zusätzlich gekoppelter Photovoltaikanlage oder Windkraftanlage als Generator stellt beispielhaft eine weitere Flexibilitäts- und Erlösoption dar (siehe Abbildung 1). 

Abbildung 1: Systemschema Energiespeicher mit USV-Option und Lastspitzenkappung für industrielle Anwendungen

Die Auswahl einer geeigneten Technologie hängt stark vom Anwendungsfall ab, sodass es keine universell beste Lösung für eine USV-Topologie gibt. Eine vordergründige Rolle bei der Festlegung spielen die Antworten auf folgende sechs Leitfragen: 

1. Welche Netzstörungen treten konkret auf? 
2. Wie hoch ist die abzusichernde Maximallast? 
3. Welche Zeitspanne muss überbrückt werden? 
4. Auf welcher Spannungsebene soll die USV integriert werden? 
5. Welche Beschränkungen gibt es? 
6. Welche Kosten hat ein Ausfall zur Folge?

Sind diese Fragen beantwortet lässt sich bereits eine der drei nach IEC 62040 klassifizierten USV-Typen festlegen: Während die VFI (voltage and frequency independent)-Lösung aufgrund der permanenten Überwachung der Spannungsqualität und Toleranzen alle Störbereiche abdeckt und deswegen bevorzugt dort verwendet wird, wo es um die Absicherung hochsensibler Prozesse und Anlagen geht, sind VI (voltage independent)- und VFD (voltage and frequency dependet from mains supply)-Konfigurationen hinsichtlich ihrer Schaltkreisarchitektur einfacher aufgebaut und dadurch kostengünstiger. Allerdings bieten letztgenannte nicht denselben breiten Schutz, wie die VFI-Vertreter.

Neueste Batterie-USV Generation am Beispiel der Lithium-Ionen-Zellen

Neben den eingangs genannten chemischen, elektrischen und mechanischen Energie¬speicher¬optionen, fanden bis dato vor allem elektrochemischen Speicher in Form von Bleisäurebatterien (PbSO4) in USV-Anlagen Anwendung. Die Systemlösung neuerer Generationen nutzt beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, die gegenüber den bisher verwendeten viele Vorteile besitzen:

• Eine deutliche Verringerung der Gesamtbetriebskosten durch eine längere Lebensdauer der Zellen,
• eine einfachere Installation und geringeren Wartungsaufwand,
• eine effizientere Leistungsabgabe durch niedrigere Verluste beim Laden & Entladen sowie 
• ein hohes Kostensenkungspotential bei den Investmentkosten.

[i] Pressemitteilung https://www.produktion.de/wirtschaft/brennstoffzellen-daimler-und-rolls-royce-arbeiten-zusammen-116.html [aufgerufen am 01.07.20]
[ii] https://www.bihk.de/bihk/downloads/bihk/bihk-studie-energiewende-im-strommarkt_versorgungsqualitaet.pdf [aufgerufen am 01.07.20]