DC-USV – mit Batterie oder Kondensator?

Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung ist für bestimmte Industrien überlebensnotwendig: Werden Fertigungsprozesse aufgrund von Stromunterbrechungen gestört, können hohe Kosten anfallen. Ebenso drohen Datenverluste und beschädigte Systeme. DC-USV Module verringern dieses Risiko, indem sie Stromausfälle oder Lastschwankungen mit Hilfe von Batterien oder Doppelschichtkondensatoren überbrücken. In welchen Anwendungen welcher USV-Typ benötigt wird, ist aber von vielen Faktoren abhängig.

Aktuell bietet PULS zwei Möglichkeiten, um die Last im Notfall weiterhin mit Strom zu versorgen: sowohl Doppelschichtkondensatoren als auch Bleibatterien können als Energiespeicher in DC-USV Systemen für industrielle Anlagen dienen.

Doppelschichtkondensatoren, auch unter Handelsbezeichnungen wie Ultracap, Supercap oder Greencap bekannt, sind mittlerweile seit über 25 Jahren am Markt verfügbar und haben sich zu zuverlässigen und gut erprobten Bauteilen entwickelt. Die anfänglich recht teuren Bauteile sind als Energiespeicher für DC-USV Systeme geeignet und können für Anwendungen wie der Speicherung von Bremsenergie oder zur Bereitstellung kurzer Spitzenströme eingesetzt werden.

Bleibatterien haben mit den Doppelschichtkondensatoren einen starken Mitspieler gewonnen. Beide USV-Typen haben jedoch je nach Anwendung ihr Vorzüge. Welche dies sind, zeigen wir in folgendem Vergleich auf.

Beim Vergleich der Energiedichten gewinnen immer Batterien

Die Überbrückungszeiten von kondensatorgestützten und batteriegestützten Systemen zu vergleichen, ist nicht zielführend. Beim Vergleich der Energiedichten gewinnen immer Batterien. Es ist aber ebenso wichtig die tatsächlich benötigte Überbrückungszeit miteinzubeziehen: Während USV-Module mit Kondensatorspeicher im Sekundenbereich puffern (siehe Grafik 1), gewährleisten USV-Module mit Batterien eine unterbrechungsfreie Stromversorgung von bis zu mehreren Stunden (siehe Grafik 2).

Liegt die tatsächlich benötigte Überbrückungszeit in einer Größenordnung zwischen 15 und 150 Sekunden, können Doppelschichtkondensatoren preislich mithalten.

Überbrückungszeit in Abhängigkeit des Pufferstroms eines Kondensators Überbrückungszeit in Abhängigkeit des Pufferstroms eines Kondensators
Grafik 1: Überbrückungszeit in Abhängigkeit des Pufferstroms eines Kondensators
Überbrückungszeit in Abhängigkeit des Pufferstroms einer Batterie Überbrückungszeit in Abhängigkeit des Pufferstroms einer Batterie
Grafik 2: Überbrückungszeit in Abhängigkeit des Pufferstroms einer Batterie

Bezüglich Lebensdauer und Unempfindlichkeit gegenüber Temperaturen unterscheiden sich die beiden USV-Typen grundlegend:

Lebensdauer

Unter den Idealbedingungen und bei einer Umgebungstemperatur von 20°C haben Bleibatterien eine lange aber dennoch begrenzte Lebensdauer. Eine Bleibatterie hat nach Eurobat eine Lebensdauer von 6 – 9 Jahren. Wenige, aber durchaus relevante Faktoren können die Lebensdauer einer Bleibatterie beeinträchtigen. Zu beachten ist z.B. die Voralterung, die bei Lagerung entsteht. Die Temperatur hat den größten Einfluss auf die Reduzierung der Lebensdauer. Eine Erhöhung um 10°C kann den angegebenen Wert halbieren (siehe Grafik 3).

Die Kondensatoren sind fest in das Gerät eingebaut, können nicht ausgetauscht werden und haben – wenn das Design richtig ausgelegt ist – dieselbe Lebensdauer wie die Stromversorgung selbst. In der Praxis ist das bei einer typischen Anwendung länger als 10 Jahre. Daher sind Doppelschichtkondensatoren in der Regel wartungsfrei. Doppelschichtkondensatoren besitzen eine nahezu unbeschränkte Lagerzeit, müssen nicht regelmäßig nachgeladen werden und führen zu keinen Überraschungen, wenn eine Anlage später in Betrieb genommen oder für eine längere Zeit nicht verwendet wird.
Wie auch bei den Batterien hat die Temperatur hier Einfluss auf die Lebensdauer: Bei einer Erhöhung um 10°C kann sich die Lebensdauer der Kondensatoren halbieren (siehe Grafik 4). Je wärmer es ist, desto schneller trocknen die Elektrolytkondensatoren aus.

Temperaturen

Bleibatterien sind sensibel gegenüber zu niedrigen und zu hohen Temperaturen. Beim Aufladen kann der Wasserstoff bei Temperaturen unter -10°C einfrieren, was schädlich für die Batterie ist. Für solch kalte Umgebungsbedingungen können jedoch Reinblei-Batterien eingesetzt werden. Da bei Bleibatterien ab +45°C Wasserstoff austritt, wird empfohlen, sie außerhalb des Schaltschranks zu montieren.

Doppelschichtkondensatoren sind unempfindlich gegenüber Kälte und vertragen Temperaturen bis -40°C. Das macht diese Bauteile ideal für Anwendungen im Außenbereich, bei mobilen Anwendungen oder im Solar- und Windkraftbereich. Doppelschichtkondensatoren bringen die volle Leistung auch bis +60°C, was den Einsatz innerhalb eines geschlossenen und unbelüfteten Schaltschranks möglich macht.
Kondensatoren emittieren im Gegensatz zu Bleibatterien keinen Wasserstoff und eine Entlüftung des Schaltschranks, wie es die EN 50272-2 für Bleibatterien fordert, kann entfallen.

Lebenserwartung einer Batterie in Abhängigkeit der Temperatur Lebenserwartung einer Batterie in Abhängigkeit der Temperatur
Grafik 3: Lebenserwartung einer Batterie in Abhängigkeit der Temperatur
Lebenserwartung von Kondensatoren in Abhängigkeit der Temperatur Lebenserwartung von Kondensatoren in Abhängigkeit der Temperatur
Grafik 4: Lebenserwartung von Kondensatoren in Abhängigkeit der Temperatur

Wie berechnet man den Energiegehalt bei der Batterie und bei Kondensatoren?

Die Nennkapazität der Batterie wird in Ah (Amperestunden) angegeben, zusammen mit der Spannung ergibt sich in etwa der Energiegehalt.

Energie (Wh) = Spannung (V) * Kapazität (Ah)

Vorsicht bei den unterschiedlichen Einheiten – kWs oder kJ:

Die Kondensatorspannung verringert sich bei der Entladung kontinuierlich. Eine Angabe der Energie in Ah (Amperestunden), wie es bei Batterien üblich ist, macht keinen Sinn, deshalb wird die Energie in Wh (Wattstunden) bzw. in kWs (Kilowattsekunden) angegeben. Oft findet man auch die Angabe kJ (Kilojoule). 1 kJ entspricht genau 1 kWs. 1KWs bedeutet, dass man 1kW eine Sekunde lang entnehmen kann oder 100W entsprechend 10 Sekunden lang. Die Energie in einem Kondensator berechnet sich nach folgender Formel:

Energie (Ws) = ½ CU2

Dies beschreibt die Energie bei einer vollständigen Entladung auf 0 Volt. In der Praxis können die Wandler aber nicht bis 0 Volt arbeiten, so dass man nicht die volle Energie nutzen kann. Hier ist also Vorsicht geboten. Die Klassifizierung der Puffermodule erfolgt nach der Nennenergie und nicht nach der nutzbaren Energie. Bei der Bestimmung der Überbrückungszeit sind daher immer die Datenblattwerte oder Diagramme zu verwenden und nicht der einfache Ansatz von oben.

Zusammenfassung

Batteriegestützt
VRLA

Überbrückungszeit
Minuten bis Stunden

Temperaturbereich
0 bis +40°C

Typ. Lebenserwartung (bei 40°C)
2 Jahre nach Batterietausch

Maximale Lagerzeit
Alle 6-9 Monate Nachladung erforderlich (temp.-abhängig)

Belüftete Schaltschränke
erforderlich

Gewicht
schwer

Lager- und Versandzustand
geladen

Kondensatorgestützt
Doppelschichtkondensator

Überbrückungszeit
10 bis 150 Sekunden

Temperaturbereich
-40°C bis +60°C

Typ. Lebenserwartung (bei 40°C)
> 10 Jahre

Maximale Lagerzeit
nahezu unbegrenzt

Belüftete Schaltschränke
nicht erforderlich

Gewicht
leicht

Lager- und Versandzustand
entladen (energielos)

Unser Produktmanager für DC-USV Module Maximilian Koehler rät zu einer genauen Analyse der Anwendungssituation und der zur Wahl stehenden Geräte:

„Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit sind wichtige Aspekte beim Betrieb einer Anlage. Bei der Wahl eines USV-Moduls spielen viele Faktoren eine wichtige Rolle, um letztlich eine unterbrechungsfreie Versorgung der Anwendung garantieren zu können. Dank des umfassenden PULS Portfolios, insbesondere im Bereich der unterbrechungsfreien Stromversorgungen, bieten wir für jeden Einsatzzweck das passende Gerät.
Wir beraten Sie gerne in Ihrem persönlichen Anwendungsfall.“

Für welche Anwendung eignet sich nun welches USV-System?

Welches USV-System für welche Anwendung geeignet ist, kann pauschal leider nicht beantwortet werden. Jede Anwendung ist individuell und benötigt daher eine individuelle Analyse. Nur so kann eine unterbrechungsfreie Stromversorgung gewährleistet werden. Die folgenden Fragen können jedoch dabei helfen, die ideale Backup-Lösung für die eigene Anlage zu finden:

  1. Welche Ausgangsspannung ist erforderlich?
  2. Wie viel Strom muss als Reserve zur Verfügung stehen?
  3. Wie viel Backup-Zeit ist erforderlich?
  4. Und schließlich: Gibt es in dieser Anwendung Lasten, die keine Sicherung benötigen, und wenn ja, wie viele?

Anhand dieser Informationen können Empfehlungen für die erforderliche Ausgangsleistung des Netzteils sowie für die Backup-Methode und eventuell erforderliche Zusatzgeräte ausgearbeitet werden.

USV-Module mit Batterien sind für Anwendungen geeignet, die im Notfall eine lange Pufferzeit benötigen:
USV-Module der PULS UB-Serie werden oftmals in entlegenen Anlagen genutzt. Hier muss die Stromversorgung lange aufrecht erhalten werden, bis ein Servicetechniker das Problem vor Ort lösen kann. Das können beispielsweise Signalleuchten an Funkmasten oder Windkraftanlagen sein.

USV-Module mit Kondensatoren bieten eine kurze Pufferzeit:
In Regionen mit schlechter Netzqualität können die Geräte der PULS UF-Serie den Ausfall einzelner Halbwellen überbrücken. Sie können jedoch auch genutzt werden, um eine Applikation die typischerweise mit 3A läuft, kurzzeitig mit 12A zu versorgen.

Mit den Modulen der PULS UC-Serie wird bei einem Netzausfall das zuverlässige Abschalten und Herunterfahren einer Anlage inklusive Sicherung der Daten gewährleistet. Ebenso können Roboterarme oder Achsen von Maschinen in eine sichere Position gefahren werden.

Der PULS-Tipp

PULS bietet zwei Puffermodule mit unterschiedlichen Speichergrößen an: das UC10.241 mit einem 6kWs Speicher und das UC10.242 mit 12kWs.

Die Geräte sind für 24V Systeme ausgelegt und können im Normalfall und im Pufferfall mit bis zu 15A belastet werden. Beide Geräte haben den Kondensatorspeicher zusammen mit der Steuerelektronik in einem kompakten Gehäuse eingebaut, das einfach auf der DIN-Schienen montiert werden kann. Die Serienschaltung der Einzelkondensatoren ist mit einer aktiven „Balancer-Schaltung“ ausgestattet, was einer langen Lebensdauer zugutekommt. Zur Überwachung und Diagnose ist das Gerät mit Meldekontakten und Anzeigeelementen ausgestattet. Ist eine Pufferung vorübergehend nicht erwünscht, lässt sich das mit dem Inhibit-Eingang unterbinden.

Für den Einsatz von DC-USV Modulen mit Batterien bieten wir zwei Lösungen mit verschiedenen Geräten an:

Das PULS Gerät UB20.241 mit der Batterie UZK24.121 hält die Ausgangsspannung im Falle einer Pufferung stabil bei dem eingestellten Wert der Pufferspannung. Einstellbar sind Werte von 22,5V bis 26V. Dies geschieht unabhängig von der Batteriespannung. Dahingegen gibt das PULS Gerät UB40.241 mit der Batterie UZK24.262 die Batteriespannung am Ausgang, abzüglich eines kleinen Spannungsabfalls, direkt weiter.