USV-Systeme sorgen für mehr Zuverlässigkeit in kritischen Infrastrukturen (KRITIS)
In diesem Blogartikel erfahren Sie, warum USV-Systeme unverzichtbar sind, um eine zuverlässige und stabile Stromversorgung in kritischen Infrastrukturen (KRITIS) zu gewährleisten, welche Komponenten dafür benötigt werden und welche Standards sie erfüllen müssen.
In den letzten 100 Jahren floss der Strom stets in eine Richtung – vom Erzeuger zum Verbraucher. Doch neue Technologien, innovative Wege der Energiebeschaffung und -generierung sowie die flächendeckende Digitalisierung verändern den Markt grundlegend. Die erfolgreiche Integration innovativer Komponenten ist entscheidend, um den Klimawandel aktiv zu gestalten und nachhaltigen Erfolg zu sichern.
Die Infrastrukturen für Strom, Gas, Wasser und Wärme erstrecken sich über weit verzweigte Versorgungsgebiete und dezentrale Stationen. Ihr reibungsloser Betrieb ist von elementarer Bedeutung. Störungen müssen sofort erkannt und behoben werden, da sie bereits nach kurzer Zeit erhebliche Auswirkungen auf alle Lebensbereiche haben können. Aus diesem Grund wurden diese kritischen Bereiche als Kritische Infrastrukturen, kurz KRITIS, zusammengefasst.
KRITIS umfassen Einrichtungen und Organisationen, deren Ausfall oder Beeinträchtigung zu erheblichen Versorgungsengpässen oder Störungen der öffentlichen Sicherheit führen kann. Diese Infrastrukturen sind essenziell für das Funktionieren unserer Gesellschaft und umfassen Sektoren wie Energie, Informationstechnik, Telekommunikation, Transport, Gesundheit und Wasser.
“Bei PULS arbeiten wir kontinuierlich daran, unseren Kunden einen Mehrwert für ihr Business zu bieten. Der größte Mehrwert für moderne Stromnetze ist Stabilität. Unsere Stromversorgungslösungen sorgen für ein hohes Maß an Zuverlässigkeit und erzeugen damit Vertrauen auf der Verbraucherseite.”
Anforderungen an Stromversorgungssysteme in kritischen Infrastrukturen (KRITIS)
In diesem Blog-Artikel betrachten wir die Anforderungen an Stromversorgungen und DC-USV-Lösungen in kritischen Infrastrukturen (KRITIS) sowie die für diesen Kontext relevanten Normen.
Die unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) ist in kritischen Infrastrukturen unverzichtbar. Energieversorgungsunternehmen nutzen DC-USV-Systeme in Kombination mit Fernwirktechnik, um die Steuerungssysteme ihrer Kraftwerke zu schützen und die Einbindung erneuerbarer Energien über Übergabestationen und Verteilernetze wie Ortsnetzstationen (ONS) sicherzustellen. Der Fokus liegt dabei auf der Überwachung und Steuerung räumlich entfernter Objekte.
Besondere Anforderungen an Stromversorgungen und DC-USV-Systeme in kritischen Infrastrukturen, betreffen die Zuverlässigkeit, Robustheit und Sicherheit:
- Vermeidung von Ausfallzeiten:
USV-Systeme gewährleisten eine unterbrechungsfreie Stromversorgung bei Stromausfällen und ermöglichen eine geordnete Abschaltung der Systeme bei längeren Ausfällen. - Schutz vor Spannungsschwankungen:
USV-Anlagen schützen empfindliche Geräte vor Spannungsschwankungen und Stromspitzen, die Schäden oder Datenverlust verursachen könnten. Dies ist essenziell für die IT-Infrastruktur und Kommunikationssysteme. - Erhöhung der Betriebssicherheit:
Durch die Bereitstellung einer stabilen Stromversorgung tragen USV-Systeme zur allgemeinen Betriebssicherheit bei und minimieren das Risiko von Betriebsunterbrechungen. - Erfüllung gesetzlicher Anforderungen:
Viele kritische Infrastrukturen sind gesetzlich verpflichtet, Maßnahmen zur Sicherstellung einer kontinuierlichen Stromversorgung zu ergreifen. USV-Systeme helfen, diese Anforderungen zu erfüllen und die Einhaltung relevanter Normen und Vorschriften sicherzustellen.
Relevante Normen und Richtlinien für KRITIS
Die Stromversorgung in kritischen Infrastrukturen (KRITIS) ist von zentraler Bedeutung für die Sicherheit und das Wohl der Gesellschaft. Durch die Einhaltung der relevanten Normen und Richtlinien können Betreiber sicherstellen, dass ihre Systeme zuverlässig und sicher funktionieren. Hier einige der Wichtigsten:
- §14a EnWG: Regelung der Netzorientierten Steuerung von steuerbaren Verbrauchseinrichtungen und steuerbaren Netzanschlüssen
- VDE-AR-N-4105: Technische Mindestanforderungen für Anschluss und Parallelbetrieb von Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz“, nationalen Standard für den Netzanschluss von Erzeugungsanlagen in der Niederspannung.
- VDE-AR-N-4110: Technische Grundlage für den Anschluss und den Betrieb von Kundenanlagen an das Mittelspannungsnetz
- BSI-Kritisverordnung: Definition, welche Einrichtungen als kritische Infrastrukturen (KRITIS) gelten und welche Sicherheitsanforderungen sie erfüllen müssen
Die Netzbetreiber sind verpflichtet für eine stabile und zuverlässige Stromversorgung zu sorgen. Das Netz muss sich dabei an den zunehmend flexibler werdenden Energiefluss anpassen. Ungleichmäßige Verbrauchssituationen und Erzeugung, höhere Lasten sowie die Einspeisung von dezentralem Strom verursachen Spannungsschwankungen.
Lastspitzen mit unbekanntem Gleichzeitigkeitsfaktor stellen eine große Herausforderung dar. Die folgenden Elemente haben den größten Einfluss darauf:
- PV-Anlagen
- Wärmepumpen
- Batteriespeicher
- E-Mobility
Diese Anforderungen aus unterschiedlichen Perspektiven sowie die Klimaziele der deutschen Bundesregierung führen zu einem massiven Ausbau der Energie-Infrastruktur. Experten erwarten, dass die Infrastruktur der Energieversorgung verdoppelt werden muss, um die Klimaziele zu erreichen.
Der ständig wachsende Anteil an erneuerbaren Energien trägt ebenfalls erheblich zum starken Wachstum in dieser Branche bei. Aktuelle Studien, wie die Studie der Hans-Böckler-Stiftung, prognostizieren eine Verdopplung des Investitionsvolumens in den nächsten Jahren.
Anspruchsvolle Umweltbedingungen erfordern die richtige Hardware
Die Entwicklung von USV-Systemen für kritische Infrastrukturen wird durch technologische Innovationen und die Integration neuer Technologien vorangetrieben. Diese Trends tragen dazu bei, die Zuverlässigkeit, Effizienz und Sicherheit der Stromversorgung in kritischen Bereichen zu verbessern.
Ein bedeutender Trend ist die Einführung modularer USV-Systeme. Diese bieten flexible und skalierbare Lösungen, da sie aus mehreren unabhängigen Modulen bestehen, die je nach Bedarf hinzugefügt oder entfernt werden können. Dies erleichtert die Anpassung an wachsende Anforderungen und erhöht die Redundanz.
Zusätzlich werden USV-Systeme zunehmend in intelligente Stromnetze (Smart Grids) integriert. Diese Integration ermöglicht eine bessere Überwachung und Steuerung der Stromversorgung, was die Effizienz und Zuverlässigkeit erhöht. Intelligente Stromnetze können auch erneuerbare Energiequellen besser einbinden und die Netzstabilität verbessern.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Nachrüstung bestehender Infrastrukturen in lokalen Umspannwerken mit sogenannten Retrofit-Lösungen. Diese Lösungen messen die Abgänge und liefern Daten für die erweiterte Netzplanung und ermöglichen entsprechende Maßnahmen im Fehlerfall. Die Einbausituation der Geräte ist hier sehr anspruchsvoll, da häufig der standardisierte Formfaktor einer Lastschaltleiste als Gehäusevorgabe verwendet wird.
Schließlich gibt es einen wachsenden Trend zur Entwicklung umweltfreundlicher USV-Technologien. Dazu gehört die Nutzung erneuerbarer Energien, die Reduzierung des CO2-Fußabdrucks und die Verbesserung der Energieeffizienz.
Hohe Umgebungstemperaturen sind die größte „Challenge“
Als PULS Gruppe helfen wir unseren Kunden dabei optimale Lösungen im Rahmen dieser Anforderungen zu finden. Im Wesentlichen legen wir dabei sehr viel Wert auf die gut betreute Projektierung sowie die einfache Integrierbarkeit unserer Systeme. Folgenden Eigenschaften sind unseren Kunden zusätzlich wichtig: Lebensdauer, Formfaktor und Temperaturbereich.
Besondere Anforderungen gibt es insbesondere bei den Betriebstemperaturen und der damit verbundenen Lebensdauer. Der Grund dafür sind die „raue Umgebungsbedingungen“ in häufig nicht klimatisierten Außenbereichen.
Wir gehen in unseren Betrachtung von einem „robusten“ Umfeld mit zum Teil direkter Sonneneinstrahlung in einer Ortsnetzstation aus, und setzen hier das Jahres-Temperaturprofil von Tönisvorst, einer Stadt in Nordrhein-Westfalen in 2022 an. Hier wurde die jemals höchste Außentemperatur von 41,2 °C gemessen. Das hatte zur Folge, dass in aktiven Ortsnetzstationen in Deutschland durchaus Temperaturen von > 75 °C gemessen wurden.
Diese Maximalanforderung ist die Basis für den Offset der auf das Temperaturprofil gelegt wurde, um die Maximalbelastung an den verbauten Komponenten zu simulieren. Das bedeutet, dass nicht von einer dauerhaften Belastung von über 70 °C ausgegangen wird, sondern von einer temporären Höchsttemperatur an mehreren Tagen pro Jahr.
Diese detaillierte Simulation ist sehr sinnvoll, da der Trend zu wärmeren Jahren und höheren Spitzenwerten aufgrund der Veränderung im Klima nachweislich vorhanden ist.
Software-Simulation hilft bei der Auswahl der richtigen Bauteile
Um unsere Lösungen für hohe Temperaturen optimal zu spezifizieren, haben wir softwarebasiert eine detaillierte Lebenszeitsimulation auf Bauteilebene durchgeführt. Basierend auf den Ergebnissen und der Anforderung, dass die Geräte für mehr als 10 Jahre eine stabil Pufferung der vollen Leistung erreichen müssen, haben wir die Auswahl der Komponenten und das entsprechende Schaltungsdesign vorgenommen.
Um den zuverlässigen Betrieb sicherzustellen, ist es entscheidend, dass sich die Geräte auch bei Temperaturen über 70 °C nicht abschalten. Im Falle einer notwendigen Sicherheitsabschaltung müssen sie zudem eigenständig wieder anlaufen.
Hitze schadet der Lebensdauer und Zuverlässigkeit von DC-USVs und Netzteilen
Die Mindestlebensdauer von DC-USVs und Hutschienen-Netzteilen wird durch die Lebensdauer der Elektrolytkondensatoren (Elkos) bestimmt, die das kritischste Element in den Geräten darstellen. Schon ein Temperaturanstieg von +10 °C im Netzteil halbiert Lebensdauer der Elkos.
Um eine möglichst lange Lebensdauer von Hutschienen-Netzteilen und DC-USVs zu erreichen, ist es deshalb wichtig, dass die Geräte vor Überhitzung geschützt sind. Das Kühlkonzept das bei der Entwicklung der Stromversorgung gewählt wurde, spielt dabei eine entscheidende Rolle.
Idealerweise sind die Geräte so konstruiert, dass von vornherein möglichst wenig Wärme entsteht. Das gelingt durch einen hohen Wirkungsgrad und eine entsprechend geringe Verlustleistung. Da sich Verluste jedoch nicht vollständig vermeiden lassen, gilt es, die dadurch entstehende warme Luft effizient aus dem Gerät abzuleiten.
Effizientes Kühlkonzept für langlebige Netzteile: „Cool Design“ von PULS
Um eine lange Lebensdauer der Netzteile zu gewährleisten, ist es entscheidend, die Wärmeentwicklung innerhalb der Geräte zu minimieren. Unter „Cool Design“ definiert PULS das Zusammenwirken von drei wesentlichen Punkten, die zu einer geringen Wärmeentwicklung führen: Erstens dem durchgängig hohen Wirkungsgrad, zweitens der optimierten Abführung von Verlustwärme an die Umgebung des Geräts und drittens der durchdachten Anordnung temperaturempfindlicher Bauteile im Gerät.
Beim „Cool Design“ in Verbindung mit DC-USV-Systemen verfolgt PULS bislang den Weg, das Netzteil und das DC-USV-Modul mit separaten Geräten zu realisieren, also nicht beide Funktionen in ein Gehäuse zu integrieren. Damit wird das Netzteil, als eigentliche Wärmequelle von den empfindlichen Elkos im USV-Modul getrennt.
Das PULS Tochterunternehmen Adelsystem – a PULS company bietet hingegen bereits seit einigen Jahren erfolgreich eine All-in-One-Lösung an, also eine Kombination aus Netzteil und DC-USV in einem Gerät. Hierfür wurde von den italienischen Entwicklern ein smartes Gerätekonzept gewählt, auf das wir in einem separaten Blogartikel eingehen werden.
DC-USV – besser mit Batterie oder Kondensator?
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 bekannt unter Handelsbezeichnungen wie Ultracaps, Supercaps oder Greencaps, sind seit über 25 Jahren auf dem Markt und haben sich zu zuverlässigen und bewährten Bauteilen entwickelt. Diese anfänglich recht teuren Komponenten sind als Energiespeicher für DC-USV-Systeme geeignet und können in Anwendungen wie der Speicherung von Bremsenergie oder der Bereitstellung kurzer Spitzenströme eingesetzt werden.
Welche Speicherlösung für welche Anwendungen geeignet ist, lässt sich pauschal leider nicht beantworten. Jede Anwendung ist individuell und erfordert daher eine spezifische Analyse, um eine bestmögliche unterbrechungsfreie Stromversorgung zu gewährleisten.
Die folgenden Fragen können jedoch dabei helfen, die ideale Backup-Lösung für die eigene Anlage zu finden:
- Welche Ausgangsspannung ist erforderlich?
- Wie viel Strom muss als Reserve zur Verfügung stehen?
- Wie viel Backup-Zeit ist erforderlich?
- Gibt es in dieser Anwendung Lasten, die kein Backup 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. Natürlich ergeben sich aus den entsprechenden Anforderungen der Norm auch bewährte Standardkombinationen, die häufig von unseren Kunden eingesetzt und so branchentypisch übernommen werden.
Fazit:
Die zuverlässige Stromversorgung in kritischen Infrastrukturen ist von zentraler Bedeutung für die Sicherheit und das Wohl der Gesellschaft. Durch die Einhaltung relevanter Normen und Richtlinien können Betreiber sicherstellen, dass ihre Systeme sicher funktionieren. Der Einsatz moderner Technologien ermöglicht es zudem, die Vorteile erneuerbarer Energien zu nutzen und gleichzeitig die damit verbundenen Herausforderungen zu meistern.
USV-Systeme sind unverzichtbar, um eine zuverlässige und stabile Stromversorgung in kritischen Infrastrukturen (KRITIS) sicherzustellen. Sie schützen vor Ausfällen, Spannungsschwankungen und Datenverlusten und tragen so zur Sicherheit und Effizienz der betrieblichen Abläufe bei. Die Implementierung von USV-Systemen in kritischen Infrastrukturen ist jedoch komplex und erfordert sorgfältige Planung und eine gute Beratung durch den Hersteller. Trotz dieser Herausforderungen sind USV-Systeme essenziell, um die Zuverlässigkeit und Sicherheit der Stromversorgung in kritischen Bereichen zu gewährleisten.
Welches USV-System für welche Anwendung geeignet ist, lässt sich pauschal leider nicht beantworten. Jeder Anwendungsfall ist individuell und benötigt daher eine spezifische Analyse. Branchentypische Anwendungsfelder definieren jedoch auch erprobte Gerätekombinationen. Kontaktieren Sie uns und wir finden die passende Lösung für Ihre Anwendung.
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