Anlagen oder Geräte, die für einen Prozess sensibel oder sicherheitsrelevant sind, müssen mit unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV) abgesichert werden. Wobei sich die Vorgaben für die Zuverlässigkeit der Energieversorgung aus der Automatisierungsaufgabe ergeben. Speziell für explosionsgefährdete Bereiche gibt es typische Lösungen, die in der Regel auf die Anwendung zugeschnitten sind.
Für die unterbrechungsfreie Stromversorgung lassen sich zwei Applikationsszenarien abbilden. Superkondensatoren können kleinere, kritische Lasten über einen kurzen Zeitraum bis zu einigen Minuten speisen. Dieser USV-Typ ermöglicht das kontrollierte Herunterfahren kritischer Systeme oder Geräte, wie Datenbanken oder komplexe Messgeräte wie der Kreiselkompass im Bergbau. Batterien hingegen überbrücken längere Zeiträume. Sie halten die Kommunikationsinfrastruktur aufrecht, sodass eine Anlage auch bei Stromausfall funktionsfähig bleibt. Im Zusammenhang mit Solar-Paneelen und/oder Windrädern sind damit auch autarke Stromversorgungen oder Insellösungen realisierbar.
Maßnahmen für USV im Ex-Bereich
Eine USV im explosionsgefährdeten Bereich zu dimensionieren und zu errichten, ist eine Engineering-Leistung mit Aufmerksamkeit auf Details. Normativ vorgegebene Maßnahmen für den Zündschutz treffen hier mit Automatisierungsaufgaben und den Bedürfnissen nach Verfügbarkeit für die Anwendung zusammen. Dabei sind elektrische Betriebsmittel ohne Ex-Schutz-Zertifikat durch geeignete Maßnahmen für den Einsatz im explosionsgefährdeten Bereich zu ertüchtigen. Die Vorgaben dazu beschreibt die Norm IEC 60079. Batterien als Speichermedium der USV können für lange Standzeiten ausgelegt werden. Die geforderte Lastkennlinie und Standzeit bestimmen dabei die Größe des Speichers und damit einen wesentlichen Kostenanteil.
Die Lebensdauer der Batterien ist im Wesentlichen durch die Anzahl der Ladezyklen und der Umgebungstemperatur bestimmt. Dabei entstehen bei dem Betreiber laufende Kosten in Form von wiederkehrendem Wartungsaufwand und Modultausch. Die Temperaturkennlinie fällt außerhalb des Bereichs von 5 bis 20 °C ab, daher ist gegebenenfalls eine Klimatisierung vorzusehen. Aufgrund dieser und weiterer Gegebenheiten wird die USV für den Einsatz in der Prozesstechnik oder in explosionsgefährdeten Bereichen typischerweise nicht von der Stange geliefert sondern den Anforderungen entsprechend individuell ausgelegt.
Für den Einsatz einer USV im Ex-Bereichen ist Folgendes zu beachten: In explosionsgefährdeten Bereichen werden die Steuerungskomponenten einer Anlage in einem Gehäuse der Schutzart Ex d druckfeste Kapselung untergebracht. Das legt den Gedanken nahe, auch die Batterie im gleichen Gehäuse zu installieren, was allerdings die Eindämmung unverhältnismäßig hoher Energiemengen erfordert und deswegen teuer ist. Günstiger ist es, die Batterien in Containern der Schutzart Ex e erhöhte Sicherheit zu installieren. Ex e-Gehäuse genügen erhöhten Anforderungen an die Schlagfestigkeit und verhindern eine elektrostatische Aufladung durch einen hinreichenden Leitwert des Materials. Eine besondere Herausforderung besteht darin, sowohl den notwendigen IP-Schutz als auch die Belüftung der Batterie sicherzustellen, sodass eine zündfähige Oberflächentemperatur vermieden wird. Die Schutzart Ex e gilt als leichte Bauweise und ist für nichtfunkende Betriebsmittel zulässig, zu denen auch die Batterien gehören.
Beim Ladevorgang von Batterien können brennbare Gase entstehen. Um diese zu verhindern, ist eine Sicherheitsbeschaltung vorzusehen, die den Ladevorgang überwacht und abbricht, sobald Symptome auftreten, die auf Gasbildung hinweisen. Gase entstehen bei einem unsymmetrischen Ladevorgang, einer Über- oder Unterspannung und auch bei einem hohen Ladestrom. Ist es möglich, die Batterien nur dann zu laden, wenn keine explosive Atmosphäre präsent ist, kann der Betreiber auch hier Kosten sparen. Signale von Gas-Detektoren in der Nähe der Batterien können in diesem Fall in die Steuerung der USV eingebunden werden und so die geforderten Maßnahmen auch ohne die beschriebene Sicherheitsbeschaltung erfüllen.
Kondensatoren sind im Gegensatz zur Batterie schnell startklar. Die Nanotechniksprünge der vergangenen Jahre brachten Zweischicht- oder Superkondensatoren mit hohen Kapazitäten als alternative Energiespeicher für die USV hervor. Als Puffer sichern diese die Stromversorgung für einige Sekunden bis zu einigen Minuten. Die Ladezeit ist mit wenigen Sekunden hingegen sehr kurz. Vorteile der Superkondensatoren sind die Wartungsfreiheit und eine hohe Lebensdauer durch eine praktisch unendliche Anzahl an Ladezyklen.
Die Speicherkapazität ist außerdem praktisch unabhängig von der Umgebungstemperatur. Der Aufbau ist sehr kompakt und kann komplett in einem druckfest gekapselten Gehäuse (Ex d) erfolgen. Sind Wartungsarbeiten an der USV selbst notwendig, sorgt ein fest installierter Widerstand für eine vollständige Entladung der Kondensatoren.
Einsatzgebiete für USV
Beispiel einer typischen Anwendung für eine Kondensator-USV: Bei Tunnelbauarbeiten wird die Position der Bohrmaschine unter Tage von einem komplexen Messsystem basierend auf Laserlicht und Kreiselkompass erfasst. Dieses komplexe und aufwändige Messverfahren muss im Fall eines Stromausfalls selbsttätig sicher herunterfahren und seine Position speichern. Andernfalls wäre nach Beseitigung der Störung eine aufwändige Kalibrierungsfahrt des Bohrwerkzeugs notwendig, die erhebliche Kosten verursachen würde. Die Batterie-USV kann zum Beispiel als autarke Station, optional unterstützt durch Solar und Windkraft, die Brennwertmessung in Übergabestationen von Ferngas oder in Abwasseranlagen betreiben. Darüber hinaus steht mit der USV die Hilfsenergie zur Verfügung, um Schieber oder Ventile wahlweise fern bedienen zu können oder bei Störungen in einen sicheren Zustand zu bringen.
Aufgrund langjähriger Erfahrung, sowie mit Engineering- und Beratungskompetenz kann Pepperl+Fuchs als Dienstleister die USV passend zur Applikation realisieren. Die auf den Anwendungsfall zugeschnittene Lösung kommt dabei mit Zulassung, Zertifikat und Dokumentation.
