Unterbrechungsfreie Stromversorgung im Ex-Bereich

Steuereinheit einer USV mit Zulassung für explosionsgefährdete Bereiche. Bild: Pepperl+Fuchs

Die Zuverlässigkeit der Energieversorgung ist von zentraler Bedeutung für den Automatisierungsprozess. Daher kommen beim Betrieb von sicherheitsrelevanten Anlagen und Geräten unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) zum Einsatz. Diese Lösungen sind für gewöhnlich exakt auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten. Als Energiespeicher können Betreiber dabei ganz klassisch auf eine Batterie zurückgreifen oder einen Superkondensator wählen. Für welche Variante Unternehmen sich entscheiden, hängt letztlich vom Applikationsszenario ab.

Notlösung für den Ex-Bereich

Eine USV-Lösung mit Superkondensator ermöglicht die Speisung von kleineren, kritischen Lasten über einen kurzen Zeitraum – also bis zu wenigen Minuten. So ist ein kontrolliertes Herunterfahren kritischer Applikationen möglich. Erforderlich ist das beispielsweise bei Datenbanken oder komplexeren Messverfahren wie dem Kreiselkompass im Bergbau. Mit der klassischen Batterie-Lösung hingegen können Anwender auch längere Zeiträume überbrücken und die Kommunikationsinfrastruktur aufrechterhalten. So bleiben die Anlagen im Falle eines Stromausfalls weiterhin funktionsfähig. In Kombination mit Solar-Paneelen oder Windrädern als zusätzliche Energiequelle ermöglicht dieser USV-Typ sogar autarke Versorgungen oder Insellösungen.

Eine USV für den Ex-Bereich passend zu dimensionieren und zu errichten, ist noch einmal eine ganz besondere Engineering-Leistung, bei der es auf viele Details ankommt. Es gilt, normative Vorgaben für den Zündschutz mit der Automatisierungsaufgabe und der notwendigen Verfügbarkeit der Anwendung in Einklang zu bringen. Alle elektrischen Betriebsmittel, die nicht über ein Ex-Schutz-Zertifikat verfügen, sind durch geeignete Maßnahmen für den Einsatz im explosionsgefährdeten Bereich zu ertüchtigen. Die Norm IEC 60079 beschreibt hierzu die entsprechenden Vorgaben.

Geballte Energie sicher bändigen

Die Größe des Batteriespeichers richtet sich nach der geforderten Lastkennlinie sowie der Standzeit und ist ein ganz entscheidender Kostenfaktor. Darüber hinaus entstehen dem Betreiber laufende Kosten in Form von wiederkehrendem Wartungsaufwand und Modultausch. Die Lebensdauer einer solchen Batterie bestimmt im Wesentlichen die Anzahl der Ladezyklen und die Umgebungstemperatur. Da die Temperaturkennlinie außerhalb des optimalen Bereichs von 5 bis 20 °C stark abfällt, ist gegebenenfalls eine Klimatisierung vorzusehen. Aufgrund all dieser Gegebenheiten ist es notwendig, USV-Lösungen für die Prozesstechnik und den explosionsgefährdeten Bereich exakt auf die jeweiligen Applikation zuzuschneiden.

Für den Einsatz im Ex-Bereich werden die Steuerungskomponenten in einem Gehäuse der Schutzart Ex d „druckfeste Kapselung“ montiert. Die Batterie im selben Gehäuse zu installieren, ist hier keine sinnvolle Option, da eine solche Lösung unverhältnismäßig hohe Energiemengen eindämmen müsste – was sehr kostenintensiv ist. Stattdessen sind die Batterien in Containern der Schutzart Ex e „erhöhte Sicherheit“ untergebracht. Diese genügen den erhöhten Anforderungen an die Schlagfestigkeit und verhindern die elektrostatische Aufladung durch einen angemessenen Leitwert des Materials. Die Schutzart Ex e gilt als „leichte Bauweise“, die für nicht funkende Betriebsmittel wie Batterien zulässig ist.

Laden, wenn es passt

Beim Realisieren von USV-Lösungen ist es eine der größten Herausforderungen, die IP-Schutzart und die Belüftung der Batterie zu erreichen, um eine zündfähige Oberflächentemperatur zu vermeiden. Darüber hinaus können während des Ladevorgangs von Batterien brennbare Gase entstehen, beispielsweise bei einem unsymmetrischen Ladevorgang, bei einer Über- oder Unterspannung sowie einem hohen Ladestrom. Um das zu verhindern, ist eine Sicherheitsbeschaltung notwendig, die den Ladevorgang abbricht, sobald sie Anzeichen für Gasbildung erkennt. Ein kosteneffizienter Verzicht auf die Sicherheitsbeschaltung ist möglich, wenn der Betreiber dafür Sorge trägt, dass die Batterie nur geladen wird, wenn keine explosible Atmosphäre vorhanden ist. Dafür kann er Gasdetektoren nahe der Batterie in die Steuerung der USV einbinden.

Schnellstarter mit kurzer Ladezeit

Alternativ zur Batterie können Kondensatoren als Energiespeicher der USV-Lösung dienen. Durch die Fortschritte in der Nanotechnik gibt es Zweischicht- oder Superkondensatoren mit hohen Kapazitäten, die deutlich schneller startklar sind. Sie können die Stromversorgung für Sekunden bis hin zu einigen Minuten sichern. Auch ihre Ladezeit ist mit wenigen Sekunden erheblich kürzer als die der klassischen Batterie. Die größten Vorteile sind aber ihre Wartungsfreiheit und die hohe Lebensdauer, da sie eine nahezu unendliche Anzahl von Ladezyklen ermöglichen. Darüber hinaus ist die Speicherkapazität der Kondensatoren praktisch unabhängig von der Umgebungstemperatur. Zum Einsatz kommt dieser USV-Typ, wenn ein Anwender Applikationen nach Ausfall der Primärversorgung kontrolliert herunterfahren muss. Der Aufbau einer solchen USV ist sehr kompakt und findet komplett in einem druckfest gekapselten Gehäuse (Ex d) Platz. Für Wartungsarbeiten an der USV selbst ist ein Widerstand fest installiert, der für eine vollständige Entladung der Kondensatoren sorgt.

Die USV im Einsatz

USV-Lösungen mit Batterie eignen sich beispielsweise für Anwendungen an Pipelines oder auch entlegenen Stationen. Unterstützt durch Solar- und Windkraft können sie Applikationen sogar autark mit Strom versorgen. So können sie zur Brennwertmessung in Übergabestationen von Ferngas oder in Abwasseranlagen zum Einsatz kommen. Außerdem verfügen sie über genug Hilfsenergie, um Schieber oder Ventile fernzusteuern oder in einen sicheren Zustand zu versetzen. Typische Anwendungen für Kondensator-USVs finden sich im Bereich der aufwendigen Messverfahren und der Datenerfassung. Im Falle eines Spannungseinbruchs oder eines Stromausfalls ist es möglich, auf PC-Anwendungen geöffnete Datenbanken oder dezentrale Messeinrichtungen über einige Minuten zu versorgen, sodass sie selbsttätig sicher herunterfahren und offene Datensätze zuverlässig speichern können. Andernfalls besteht für Betreiber das Risiko, dass das Messsystem umständlich wieder zu kalibrieren ist oder dass Daten verloren gehen.

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