Ein guter Wirkungsgrad ist mehr als ’nice to have‘

USV-Anlagen sind, von kurzen Pausen für die Wartung abgesehen, 24h am Tag für viele Jahre in Betrieb. Verlustleistungen – so gering sie zunächst erscheinen mögen – summieren sich deshalb über die Zeit bei Kosten und Umweltbelastung zu enormen Beträgen. Die Hersteller von USV-Systemen feilen daher an Verbesserungen beim Wirkungsgrad. In jüngster Zeit sorgen Neutral Point Clamp-Technologien in der Gleich- und Wechselrichter-Technik für erhebliche Performance-Sprünge.
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 ausdrücklich auf energieeffiziente Geräte und Anlagen. Das gilt auch in Bezug auf USV-Anlagen: 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 aufrechterhält. Dafür muss allerdings der Gleichstrom für den Betrieb der angeschlossenen AC-Lasten wieder zu Wechselstrom konvertiert werden.

Wärme statt Strom

Dieser 2-fache Umwandlungsprozess führt zwangsläufig zu Verlusten, die in Form von Wärme abgeführt werden. Dieser nicht zweckdienlich eingesetzte Verbrauch beeinflusst die Betriebskosten für die USV-Anlage, gegebenenfalls auch die für die Klimatisierung des Aufstellortes. 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 die ca. zehn Lebensjahre einer USV hindurch nicht nur die Betriebskosten deutlich verringert, sondern auch den CO2-Ausstoß senkt, setzen innovative USV-Konzepte am Wirkungsgrad an. In der Regel weisen die Anlagen heutzutage einen guten Wirkungsgrad auf, üblich sind 92% und mehr. Weitere Verbesserungen ermöglichen hochmoderne Stromrichterventile. Bei Anlagen mit digitalen Komponenten in IGBT-Technik (Isolated Gate Bipolar Transistor) lässt sich inzwischen ein Wirkungsgrad von mehr als 96% erzielen. Dabei setzen Anlagen diese Technologie nicht nur im Inverter, sondern auch im Gleichrichter ein.

Wirkungsgrad verbessern

Allerdings kommt auch der beste Wirkungsgrad nur dann zum Tragen, wenn die Auslastung der USV-Anlage stimmt. Die optimale Auslastung liegt im Dauerbetrieb bei ca. 70 bis 90% – allerdings werden nur wenige USV-Systeme unter Ausschöpfung ihrer Möglichkeiten betrieben. Teillastbetrieb ist üblich, vor Allem beim redundanten Betrieb. In der Konsequenz ist von erheblich niedrigeren Wirkungsgraden auszugehen und damit von Energieverschwendung in hohem Maße.

Strom statt Wärme

Genau dieses Problem fokussiert der aktuelle Ansatzpunkt für weitere Optimierungen. Ziel ist, dass sich der Wirkungsgrad beim Betrieb der USV-Anlage unter ungünstigen Lastbedingungen nicht so verschlechtert wie bisher. Und hier waren in jüngster Zeit erhebliche Fortschritte zu verzeichnen. Alpha Technologies hat seit Kurzem eine USV-Baureihe im Portfolio, die aufgrund der NPC-Technologie (Neutral Point Clamping) nicht nur einen Wirkungsgrad von über 96% bei Volllast erreicht, sondern auch den Wirkungsgrad bei geringer Last nicht unter 92% absinken lässt.

NPC-Technologie

In Doppelwandlern nach VFI-SS-III werden für die Wandlung des Gleichstroms aus der Batterie in Wechselstrom Half Bridge Inverter eingesetzt. Ausgehend von einem Referenzpunkt, typischerweise dem Nullpunkt, arbeitet ein herkömmlicher Wechselrichter mit zwei Spannungsstufen. Moderne USV-Technologie setzt anstelle der herkömmlichen Zwei-Stufen-Wechsel­richter (2-Level-Inverter) Inverter auf der Grundlage von 3-Level Neutral Point Clamp ein. Diese Mittelspannungsstromrichter können in einem weiten Schaltfrequenzbereich sehr effizient arbeiten. Dafür werden die Stromrichterventile (IGBTs) in Reihe geschaltet und arbeiten über Clamp-Dioden und Zwischenkreiskondensatoren im sogenannten 3-Level-Mode. Dies ermöglicht eine bessere Ausnutzung der Halbleiterschalter und resultiert in einer saubereren Kurvenform der Ausgangsspannung. Dadurch erhöht sich der Wirkungsgrad bei gleichzeitiger Verringerung der Oberschwingungen, die sich als Verzerrung im System niederschlagen. Daraus folgt zunächst eine geringere Spannungsverzerrung – und zwar für jeden Lastzustand. Weiterhin können für niedrige Spannungen ausgelegte Komponenten für hohe Spannungen genutzt werden. Das Entscheidende: Verlustleistungen bleiben stark reduziert. Damit lassen sich im Ein- und Ausgang 3-phasige USV-Systeme verwirklichen, die unempfindlich gegenüber Schwankungen der Voltzahl und Last sind. Gleichzeitig wird ein sinusförmiges Signal und max. elektrische Leistung geliefert.

Kosten & Einsparungen

Die Kosten für eine 40kVA-Anlage mit NPC-Technologie liegen über den Kosten für eine USV-Anlage derselben Leistungsklasse in herkömmlicher Bauweise. Die Differenz ist in erster Linie den höheren Kosten für die Output-seitigen Komponenten geschuldet. Allerdings machen sich die Mehrkosten bei der Anschaffung der technisch hochwertigen Lösung mit NPC-Technologie schnell bezahlt: Einsparungen im Verbrauch liegen bei der NPC-Anlage bei rund 8.700kWh im Jahr. Das macht bei den Stromkosten für den Betrieb der USV ca. 1.900E aus, die Kosten für die Kühlung können um bis zu 600E sinken. Der CO2-Ausstoß soll sich zudem um bis zu 6t jährlich vermindern.

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