Hocheffiziente Stromversorgungen sparen Kosten und CO2

Optimierung per Engineering und Komponentenwahl

Die Fortschritte in der Leistungselektronik haben in den letzten Jahren dazu geführt, dass nahezu alle modernen Stromversorgungen über 90 % des aufgenommenen Stroms als Ausgangsleistung weitergeben können. Die Differenz zu den 100 % der Stromaufnahme bezeichnet die Höhe der Verlustleistung: Je nach Auslegung des Moduls können bis zu 10 % der eingesetzten elektrischen Energie als Wärme verlorengehen. Diese Wärmeabgabe führt zu einer entsprechend erhöhten Bauteil- und Gerätetemperatur, die wiederum die zu erwartende Standzeit der Stromversorgung deutlich reduziert. Ein Plus von 10 K führt erfahrungsgemäß bereits zu einer Halbierung der Produktlebensdauer.

Bei der Serie PS1000 wurde das Spektrum für Optimierung mit großem Aufwand für das Engineering ausgereizt. Dazu gehört die Verwendung von Komponenten und Technologien von hoher Qualität und optimalen Kennwerten. Als Resultat erreichen die Geräte in ihren jeweiligen Leistungsklassen Höchstwerte bei der Effizienz. So liegt z. B. die Ausgangsleistung der Stromversorgung PS1000-A6-24.10 von Pepperl+Fuchs mit 230 V bei 95,2 % der Stromaufnahme. Vergleichbare Geräte schaffen nur einen niedrigeren Effizienzwert von 93,4 %.

Messbare Vorteile mit Skaleneffekt

Die scheinbar geringe Differenz von 1,8 Prozentpunkten hat erhebliche Auswirkungen. Das beginnt mit einer um 40 % höheren Verlustleistung des Vergleichsgeräts. Die deutlich stärkere Wärmeentwicklung erfordert außerdem ein wesentlich größeres Gehäuse, das mehr Platz auf der Hutschiene beansprucht. Zugleich hat die resultierende höhere Gerätetemperatur einen negativen Einfluss auf die Lebensdauer – die größere Hitze beschleunigt die unvermeidlichen korrosiven Prozesse. Nicht zuletzt ist der Unterschied beim Stromverbrauch beträchtlich: Die zusätzliche Verlustleistung von 4,9 W (s. Tab. 1) summiert sich über eine 15-jährige Laufzeit zu einem Mehrverbrauch von 635 kWh Strom.

Bei einem derzeit realistischen Industriestrompreis von 0,265 EUR/kWh ergeben sich daraus auf die gesamte Betriebsdauer gerechnet zusätzliche Kosten von 168 EUR. Bei größeren Anlagen mit hunderten Stromversorgungen kommen leicht fünf- und sechsstellige Summen zusammen, die sich mit einer optimierten Stromversorgung einsparen lassen. Auch die Auswirkungen auf den CO₂-Fußabdruck sind erheblich. Bei einem CO₂-Emissionsfaktor von 380 g/kWh – das entspricht derzeit etwa dem durchschnittlichen regionalen Strommix in Deutschland – resultiert der 1,8-Punkte-Unterschied in einer vermeidbaren zusätzlichen CO₂-Emission von rund 0,25 t pro Stromversorgung über 15 Jahre. Auf die ganze Anlage hochgerechnet ergibt dies ein Einsparpotenzial, das für die Ökobilanz eines Unternehmens eine wichtige Rolle spielen kann – gerade im Hinblick auf die von der EU-Kommission vorgegebenen Klimaziele für 2030.

Tab. 1: Vergleich der Stromversorgung PS1000-A6-24.10 von Pepperl+Fuchs mit einem vergleichbaren 240-W-Gerät.

Breite Gerätepalette mit Ex-Schutz

© Pepperl+Fuchs

Die Serie PS1000 umfasst Geräte mit ein- und dreiphasiger Stromversorgung. In verschiedenen Ausführungen und Leistungsklassen gewährleisten sie eine zuverlässige Spannungsversorgung mit 12 V DC, 24 V DC oder 48 V DC bei einer Ausgangsleistung von 5 bis 40 A. Außerdem steht ein DC/DC-Modul zur Verfügung, das als Repeater fungieren kann.

Die Geräte der PS1000-Serie sind für explosionsgefährdete Bereiche geeignet und verfügen über Zulassungen nach ATEX, IECEx sowie die Marine-Zulassung DNV. Sie sind auch für den nordamerikanischen Markt zertifiziert und können bis Zone 2/Div. 2 eingesetzt werden. Die Produktpalette umfasst außerdem spezifische Module zur Sicherung der Anlagenverfügbarkeit durch redundante Auslegung. Sie können sowohl in einer n+1- als auch in einer 1+1-Topologie eingesetzt werden.

Funktionale Sicherheit und schlanke Lösungen

Bei einer redundanten N+1-Konfiguration verfügen mehrere Stromversorgungsmodule (Anzahl n) über ein Back-up-Stromversorgungsmodul (+1). Wenn ein Modul im System ausfällt, können die funktionierenden Module die Last weiterhin teilen, ohne die Integrität des Systems zu beeinträchtigen. Die Systemfunktion bleibt beim Ausfall eines Moduls erhalten. Bei 1+1-Konfigurationen ist jedes Modul redundant ausgelegt. In diesem Fall ist der Geräteausgang mit einem MOSFET ausgestattet, der anstelle von Dioden für die Entkopplung der beiden Eingangskanäle sorgt. Damit wird die Wärmeentwicklung und der Spannungsabfall zwischen Eingang und Ausgang reduziert. Die Serie PS1000 umfasst sowohl spezielle Redundanzmodule (PS1000-**.RM) als auch Module mit integrierter Redundanz (PS1000-**.R). Letztere helfen im Schaltschrank Platz zu sparen.

Ohnehin zählen die PS1000-Stromversorgungen zu den kleinsten und leichtesten Geräte ihrer Klasse und haben einen entsprechend geringen Platzbedarf. Sie sind für Umgebungstemperaturen zwischen -25 °C und +70 °C ausgelegt. Mit der einstellbaren Ausgangsspannung lässt sich der Spannungsabfall auf langen Kabelstrecken kompensieren. Die Kombination der Module mit anderen Produkten von Pepperl+Fuchs im Schaltschrank – z. B. Trennbarrieren, Signaltrenner und Überspannungsschutzmodule – ist besonders einfach. Beim Anlegen der Eingangsspannung wird der Einschaltstrom aktiv begrenzt und so Netze und andere Geräte geschützt. Die „Peak Output Power“-Funktion ermöglicht zudem das beliebige Zuschalten großer Lasten wie Motoren und elektronische Geräte.

Tab. 2: Berechnung auf der Grundlage realistischer Annahmen zur Nutzung einer Stromversorgung.