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Immer mehr Fabriken wechseln zu 48-V-Batteriesystemen, da diese die richtige Kombination aus Effizienz, Sicherheitsfunktionen und Kompatibilität mit anderen Geräten bieten. Wenn Systeme mit 48 Volt betrieben werden, ziehen sie bei gleicher Leistungsabgabe weniger Strom, was bedeutet, dass weniger Energieverluste durch Widerstand in den Leitungen entstehen (erinnern Sie sich an die Formel P gleich I zum Quadrat mal R aus der Schule). Außerdem ermöglicht dieser niedrigere Strom, dass Unternehmen dünnere Kabel verwenden können, was insgesamt kostengünstiger ist. Ein weiterer großer Vorteil betrifft die Sicherheit. Bei 48 Volt bleiben diese Systeme unterhalb des 60-Volt-Sicherheitsniederspannungsgrenzwerts, der von internationalen Normen wie IEC 61140 festgelegt wurde. Das bedeutet, dass Arbeiter sich bei regulären Wartungsarbeiten keine Sorgen über gefährliche elektrische Lichtbögen machen müssen und meistens auf den Kauf teurer Schutzausrüstung verzichten können. Und wissen Sie was? Dieses Spannungsniveau ist seit Langem bereits in Anwendungen wie Telefonnetzen, industriellen Automatisierungssystemen und Schalttafeln überall verbreitet. So können Betriebe diese Systeme problemlos in bestehende Infrastrukturen integrieren, ohne viel Geld für neue Verkabelung oder Umbauten ausgeben zu müssen.
Der 48-V-Standard erleichtert die Zusammenarbeit mit grundlegenden Stromkomponenten erheblich. Viele heutige Unterbrechungsfreie-Stromversorgungs-(USV-)Systeme und Wechselrichter verfügen bereits über integrierte Unterstützung für 48-V-Gleichspannungs-Eingang. Das bedeutet, dass Batterien direkt angeschlossen werden können, ohne dass energieintensive Umwandlungen von Wechselstrom zu Gleichstrom oder Gleichstrom zu Gleichstrom durchlaufen werden müssen, die viel Leistung verbrauchen. Besonders interessant ist, wie gut dies auch in älteren industriellen Anlagen funktioniert. Viele Fabriken betreiben ihre Sensornetzwerke, SPS-Systeme und verschiedene Steuerkreise weiterhin mit 48-Volt-Strom. Aufgrund dieser bestehenden Infrastruktur kann der Wechsel zu lithiumbasierten 48-V-Batterien schnell erfolgen, birgt ein geringes Risiko für den Betrieb und erfordert zudem keine hohen Kapitalinvestitionen.
Eine genaue Bewertung des industriellen Strombedarfs bildet die Grundlage für die zuverlässige Konstruktion von 48-V-Batterie-Backups. Dieser Prozess identifiziert wesentliche Systeme, die geschützt werden müssen, und quantifiziert ihren Energieverbrauch, um Ausfallzeiten zu vermeiden.
Beginnen Sie damit, eine vollständige Liste aller Geräte in der Anlage zu erstellen, und messen Sie anschließend den tatsächlichen Stromverbrauch jedes einzelnen Geräts. Stromzangen eignen sich hervorragend für diese Art von Aufgabe, obwohl einige Personen bei größeren Installationen Submetering-Systeme bevorzugen. Bei der Durchsicht der Liste sollten Sie sich zuerst auf die Geräte konzentrieren, die unbedingt ständig in Betrieb bleiben müssen. Dazu gehören beispielsweise Prozesssteuerungen, jene Sicherheitsschalter, die Maschinen bei Störungen abschalten, sowie die gesamte Netzwerktechnik, die den Betrieb vernetzt hält – diese Komponenten haben höchste Priorität. Der Rest – wie Beleuchtung im Bürobereich oder zusätzliche Heiz- oder Kühleinheiten, die nicht direkt mit Produktionsprozessen verbunden sind – kann normalerweise warten oder sogar vorübergehend abgeschaltet werden, ohne größere Probleme zu verursachen. Stellen Sie sicher, dass Sie regelmäßig den Energieverbrauch dokumentieren, achten Sie aber auch auf plötzliche Lastspitzen. Motoren und große Kompressoren sind dafür bekannt, beim Einschalten das Dreifache ihres normalen Stromverbrauchs aufzunehmen. Daher ist es wichtig, genau zu wissen, was während dieser Anlaufphasen passiert.
| Gerätee Typ | Leistungsbereich | Kritikalität |
|---|---|---|
| Prozesssteuerungssysteme | 300–800 W | Hoch |
| Server und Netzwerkgeräte | 500–1500 W | Hoch |
| Klimakompressoren | 2000–5000 W | Mittel |
| Beleuchtung der Einrichtung | 100–300 W | Niedrig |
Moderne prädiktive Modellierungstools reduzieren Dimensionierungsfehler um 39 % gegenüber manuellen Berechnungen, wenn sie mit historischen Lastdaten kombiniert werden. Berechnen Sie den täglichen Gesamtverbrauch in kWh, indem Sie die durchschnittliche Leistung in Watt mit den Betriebsstunden multiplizieren, und addieren Sie dann einen Puffer von 25 % für Gerätealterung und zukünftige Erweiterungen.
Die meisten Industrieanlagen halten sich heutzutage an standardmäßige Verfügbarkeitsklassifizierungen. Installationen der Klasse III benötigen durchschnittlich eine Verfügbarkeit von etwa 99,982 %, während Anlagen der Klasse II eine Verfügbarkeit von ungefähr 99,741 % anstreben. Bei Betrachtung der Geräte-Betriebszyklen besteht ein großer Unterschied zwischen Dauerlasten wie SCADA-Systemen und Maschinen, die während ihrer Betriebszeiten häufig starten und anhalten. Für wirklich sicherheitsrelevante Anwendungen verlangen viele Spezifikationen eine sogenannte N+1-Redundanzkonfiguration. Dies bedeutet im Grunde, dass eine Backup-Stromkapazität vorhanden ist, die die Spitzenanforderungen um ein weiteres vollständiges Modul übersteigt. Auch Umweltfaktoren spielen eine Rolle. Die Leistung von Lithiumbatterien sinkt erheblich, wenn die Temperaturen unter die normalen Betriebsbedingungen fallen. Bei Gefrierpunkt (0 Grad Celsius) liefern diese Batterien typischerweise nur etwa 15 bis 20 Prozent ihrer Nennkapazität im Vergleich zu dem, was sie bei der standardmäßigen Bezugstemperatur von 25 Grad Celsius bereitstellen können.
Die richtige Größe für einen 48-V-Batteriesatz zu ermitteln, beginnt damit, herauszufinden, wie viele Kilowattstunden (kWh) wir benötigen. Die grundlegende Berechnung sieht etwa so aus: Nehmen Sie die kritische Last in Kilowatt und multiplizieren Sie sie mit der gewünschten Dauer der Notstromversorgung. Dann teilen Sie diesen Wert durch zwei Faktoren – erstens den Entladetiefen-Prozentsatz und zweitens den Systemwirkungsgrad. Die meisten Lithiumbatterien können eine Entladungstiefe von etwa 80 bis 90 % verkraften, was fast doppelt so hoch ist wie bei Bleibatterien mit etwa 50 %. Angenommen, jemand benötigt 10 kW Leistung für vier Stunden bei einer Entladungstiefe von 80 % und einem Systemwirkungsgrad von 95 %. Die Berechnung ergibt etwa 52,6 kWh Bedarf. Um dies in Amperestunden für unser 48-V-System umzuwandeln, multiplizieren Sie die kWh mit 1000 und teilen dann durch 48 Volt. Das ergibt ungefähr 1.096 Amperestunden. Die Anwendung dieser Methode hilft dabei, eine zu kleine Batterie zu vermeiden, die Kosten langfristig im Rahmen zu halten und gleichzeitig von Anfang an eine gute Leistung sicherzustellen.
Wenn wir die Notstromversorgung über nur einen Tag hinaus verlängern möchten, multiplizieren wir im Grunde unseren normalen Tagesverbrauch mit der Anzahl der benötigten Tage. Schauen wir uns ein Beispiel an: Wenn eine Einrichtung etwa 120 Kilowattstunden pro Tag verbraucht und drei volle Autonomietage bei einer Entladetiefe von 80 % benötigt, sieht die Berechnung wie folgt aus. Wir nehmen diese 120 kWh mal drei Tage, was 360 ergibt, und teilen dann durch 0,8 aufgrund der 80-%-Anforderung, was uns ungefähr 450 kWh benötigte Kapazität ergibt. Allerdings arbeitet niemand unter idealen Bedingungen. Allein kalte Temperaturen können die Batteriekapazität um etwa 20 % reduzieren, wenn es unter den Gefrierpunkt geht. Lithiumbatterien verlieren zudem mit der Zeit an Wirksamkeit, ungefähr 3 % pro Jahr. Und bei plötzlichen hohen Strombedarfen kommt es im System zu Spannungseinbrüchen, wodurch die tatsächlich nutzbare Kapazität noch geringer ist als erwartet. Aus diesem Grund rechnen die meisten Ingenieure sicherheitshalber noch einmal 25 bis 30 % mehr hinzu. Dadurch erhöht sich unsere ursprüngliche Schätzung von 450 auf etwa 562 kWh Gesamtkapazität, um sicherzustellen, dass auch bei unerwarteten Problemen während längerer Stromausfälle alles ordnungsgemäß funktioniert.
Notstromsysteme in industriellen Anlagen verwenden typischerweise Serien-Parallel-Schaltungen, um die 48-V-Ausgangsspannung auch bei wechselnden Lasten stabil zu halten. Wenn Batterien in Reihe geschaltet werden, erreichen sie die erforderliche Spannung. Durch die parallele Verbindung wird die Gesamtkapazität (gemessen in Ah) erhöht, sodass das System während Stromausfällen länger betrieben werden kann. Der große Vorteil hierbei ist, dass diese Konfiguration eine ungleichmäßige Stromverteilung verhindert, die oft zu vorzeitigem Batterieversagen führt. Ein gängiges Beispiel ist die Konfiguration 4S4P, bei der vier Sätze aus jeweils vier Batterien zusammengeschaltet werden. Dadurch ergibt sich die gewünschte Spannung von 48 Volt, während die Gesamtkapazität vervierfacht wird. Besonders wichtig ist hierbei eine gleichmäßige Stromverteilung über alle parallelen Verbindungen. Die meisten erfahrenen Techniker wissen, dass Abweichungen unter etwa 5 % nur durch sorgfältige Planung der Sammelschienen und eine enge Anpassung der Zellen erreicht werden können. Thermografie-Tests, die an realen Industriestandorten durchgeführt wurden, bestätigen diese Erkenntnisse durchgängig.
Für Betreiber von Tier-III- oder Tier-IV-Anlagen, die die attraktive Verfügbarkeit von 99,995 % anstreben, ist die N+1-Redundanz nicht nur wünschenswert, sondern unbedingt erforderlich. Wenn ein Modul ausfällt, laufen die Betriebsabläufe nahtlos weiter. Der modulare Ansatz verfügt über moderne Schaltanlagen mit Sicherungstrennschaltern, die fehlerhafte Teile innerhalb einer halben Sekunde abschalten können. Was das Wachstum betrifft, sind diese Systeme dank standardisierter Rack-Schnittstellen einfach erweiterbar. Die Kapazität kann schrittweise ausgebaut werden, wobei nach Bedarf 5-kWh-Einheiten hinzugefügt werden. Auch aufwändige Nachverkabelungen entfallen. Unternehmen berichten von Einsparungen von rund 60 % bei Aufrüstungen im Vergleich zu alten monolithischen Systemen. Aktuelle Studien aus dem Jahr 2023 belegen dies und zeigen, wie viel Geld langfristig durch eine solche flexible Infrastruktur eingespart wird.