Verbesserung des Wirkungsgrads von USVs
Maßnahmen gegen die Stromverschwendung
Eine verbesserte Technik soll den Wirkungsgrad der unterbrechungsfreien Stromversorgung besonders bei Teillast erhöhen. Dabei geht es durchaus nicht um Peanuts: Die Hersteller versprechen zum Beispiel bei einer 40-kVA-Anlage eine Einsparung von rund 8700 kWh pro Jahr.
USV-Anlagen sind - von kurzen Pausen für die Wartung abgesehen - 24 Stunden am Tag für viele Jahre in Betrieb. Verlustleistungen, so gering sie zunächst erscheinen mögen, summieren sich daher über die Zeit bei Kosten und Umweltbelastung zu enormen Beträgen. Die Hersteller von USV-Systemen feilen folglich an Verbesserungen beim Wirkungsgrad. In jüngster Zeit sorgt der so genannte Neutral-Point-Clamp-Ansatz in der Gleich- und Wechselrichtertechnik für erhebliche Leistungssprünge.
Seit die Klimafrage die öffentliche Diskussion bestimmt und sich die Energiekosten in Sprüngen nach oben bewegen, ohne dass bei der Kostenentwicklung ein Ende abzusehen ist, achten die Unternehmen verstärkt auf energieeffiziente IT-Systeme. Dabei gerät das Rechenzentrum in das Visier für Optimierungen beim Umgang mit Ressourcen. USV-Anlagen führen dort die Liste der Energieverschwender an. Dafür, dass sie eigentlich nichts weiter tun, als die Stromversorgung der angeschlossenen Lasten auch bei Ausfall der Netzversorgung sicherzustellen, erscheinen sie ausgesprochen "generös" im Energieverbrauch.
Dass USV-Anlagen ununterbrochen arbeiten, wird dabei leicht übersehen. Sie verwandeln permanent Wechselstrom aus dem Netz in Gleichstrom, um die Batterie zu versorgen, die dann die Energiezufuhr bei Ausfall des Primärnetzes aufrecht erhält. Dazu ist es allerdings nötig, den Gleichstrom für den Betrieb der angeschlossenen AC-Lasten wieder zu Wechselstrom zu konvertieren.
Dieser zweifache Umwandlungsprozess führt zwangsläufig zu Verlusten, die in Form von Wärme anfallen. Dieser nicht zweckdienlich eingesetzte Verbrauch beeinflusst zwei Kostenbereiche, einmal die Betriebskosten für die USV-Anlage und zum anderen die Kosten für die Klimatisierung. Je geringer der Wirkungsgrad als Verhältnis von zugeführter und abgegebener Leistung, desto mehr Strom wird in Wärme umgewandelt, die wiederum den Bedarf an Klimatisierung hochtreibt.
Da jeder Prozentpunkt Wirkungsgrad mehr über die rund zehn Lebensjahre einer USV nicht nur die Betriebskosten deutlich verringert, sondern auch den CO2-Ausstoß senkt, setzen innovative USV-Konzepte am Wirkungsgrad an. Modernere Anlagen weisen meist einen guten Wirkungsgrad auf, üblich sind 92 Prozent und mehr. Weitere Verbesserungen ermöglichen moderne Stromrichterventile. Bei Anlagen mit digitalen Komponenten in IGBT-Technik (Isolated Gate Bipolar Transistor) lässt sich inzwischen ein Wirkungsgrad von mehr als 96 Prozent erzielen. Dabei setzen neueste Anlagen diese Technik nicht nur im Inverter, sondern auch im Gleichrichter ein.
Wirkungsgrad verbessern
Allerdings nützt auch der beste Wirkungsgrad nur etwas, wenn die Auslastung der USV-Anlage stimmt. Die optimale Auslastung liegt im Dauerbetrieb bei etwa 70 bis 90 Prozent. Für eine Kaufentscheidung sollte in jedem Fall hinterfragt werden, wie der vom Hersteller angegebene Wirkungsgrad gemessen wurde. Meist ist der Wert für den Betrieb bei voller Last angegeben, bei der die Messung des Wirkungsgrads in einer realen Installation durchgeführt wird.
Nur die wenigsten USV-Systeme arbeiten unter Ausschöpfung ihrer Möglichkeiten. Teillastbetrieb ist üblich, vor allem beim redundanten Betrieb, wie er in Rechenzentren typisch ist. In der Konsequenz ist von erheblich niedrigeren Wirkungsgraden bei Teillast auszugehen und damit von Energieverschwendung im größeren Umfang.
Genau diese Problemzone fokussiert der aktuelle Ansatzpunkt für weitere Optimierungen. Erreicht werden soll, dass sich der Wirkungsgrad beim Betrieb der USV-Anlage unter ungünstigen Lastbedingungen nicht so verschlechtert wie bisher. In diesem Punkt waren in jüngster Zeit erhebliche Fortschritte zu verzeichnen. Alpha Technologies etwa hat seit kurzem eine USV-Baureihe im Portfolio, die nicht nur einen Wirkungsgrad von über 96 Prozent bei Volllast erreicht, sondern auch den Wirkungsgrad bei geringer Last nicht unter 92 Prozent absinken lässt. Diese Fähigkeit verdankt das Modell der NPC-Technik (Neutral Point Clamping).
In Doppelwandlern nach VFI-SS-III kommen für die Wandlung des Gleichstroms aus der Batterie in Wechselstrom Half-Bridge-Inverter zum Einsatz. Ausgehend von einem Referenzpunkt, typischerweise dem Nullpunkt, arbeitet ein herkömmlicher Wechselrichter mit zwei Spannungsstufen. Moderne USV-Technik setzt anstelle der herkömmlichen Zwei-Stufen-Wechselrichter (2-Level-Inverter) Inverter auf der Grundlage von Drei-Level-Neutral-Point-Clamp ein. Diese Mittelspannungsstromrichter können in einem weiten Schaltfrequenzbereich sehr effizient arbeiten.
Um dies zu bewerkstelligen, sind die Stromrichterventile (IGBTs) in Reihe geschaltet und arbeiten über Clamp-Dioden und Zwischenkreiskondensatoren im so genannten Drei-Level-Mode. Dies ermöglicht eine bessere Ausnutzung der Halbleiterschalter und resultiert in einer saubereren Kurvenform der Ausgangsspannung. Dadurch erhöht sich der Wirkungsgrad erheblich, und dies bei gleichzeitiger Verringerung der Oberschwingungen, die sich als Verzerrung im System niederschlagen.
Was daraus folgt: zunächst eine geringere Spannungsverzerrung, und zwar für jeden Lastzustand. Weiterhin lassen sich für niedrige Spannungen ausgelegte Komponenten für hohe Spannungen nutzen. Das Entscheidende: Verlustleistungen bleiben auf ein Minimum reduziert. Damit lassen sich im Ein- und Ausgang dreiphasige USV-Systeme verwirklichen, die unempfindlich gegenüber Schwankungen der Voltzahl und Last sind. Gleichzeitig wird ein perfektes sinusförmiges Signal geliefert und maximale elektrische Leistung.
Die Kosten für eine 40-kVA-Anlage mit NPC-Technik liegt über den Kosten für eine USV-Anlage derselben Leistungsklasse in herkömmlicher Bauweise. Die Differenz beruht in erster Linie auf den höheren Kosten für die Output-seitigen Komponenten. Die Mehrkosten bei der Anschaffung der technisch hochwertigeren Lösung mit NPC-Technik machen sich nach Einschätzung der Hersteller aber schon nach einem Jahr bezahlt: Einsparungen im Verbrauch liegen bei der NPC-Anlage im Jahr bei rund 8700 kWh. Dies macht bei den Stromkosten für den Betrieb der USV rund 1900 Euro im Jahr aus, die Kosten für die Kühlung sinken um bis zu 600 Euro. Der CO2-Ausstoß soll sich um bis zu sechs Tonnen jährlich vermindern.
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