Technologien zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) werden seit vielen Jahren in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, um den kontinuierlichen Betrieb wichtiger Lasten bei Stromunterbrechungen im Netz zu unterstützen. Diese Systeme wurden an vielen verschiedenen Standorten eingesetzt, um zusätzliche Immunität gegen Netzunterbrechungen zu bieten, die den Betrieb definierter Lasten beeinträchtigen. USV-Systeme werden häufig zum Schutz von Computern, Computeranlagen und Telekommunikationsgeräten eingesetzt. Mit der jüngsten Entwicklung neuer Energietechnologien haben sich Energiespeichersysteme (ESS) rasant verbreitet. ESS, insbesondere solche, die Batterietechnologien nutzen, werden typischerweise aus erneuerbaren Quellen wie Solar- oder Windkraft gespeist und ermöglichen die Speicherung der von diesen Quellen erzeugten Energie für die Nutzung zu unterschiedlichen Zeiten.

Der aktuelle US-amerikanische ANSI-Standard für USV ist UL 1778, der Standard für unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme. und CSA-C22.2 Nr. 107.3 für Kanada. UL 9540, der Standard für Energiespeichersysteme und -geräte, ist der amerikanische und kanadische nationale Standard für ESS. Während sowohl die ausgereiften USV-Produkte als auch die sich schnell weiterentwickelnden ESS-Produkte einige Gemeinsamkeiten in technischen Lösungen, Betrieb und Installation aufweisen, gibt es wichtige Unterschiede. In diesem Dokument werden die entscheidenden Unterscheidungen untersucht, die jeweils geltenden Produktsicherheitsanforderungen dargelegt und zusammengefasst, wie sich die Vorschriften für beide Arten von Installationen weiterentwickeln.

Wir stellen vorUPS

Bildung

Bei einem USV-System handelt es sich um ein elektrisches System, das im Falle eines Ausfalls des Stromnetzes oder anderer Ausfallarten der Hauptstromquelle kurzfristig und vorübergehend Wechselstrom für kritische Lasten bereitstellt. Die USV ist so dimensioniert, dass sie eine vorgegebene Strommenge für einen bestimmten Zeitraum sofort aufrechterhalten kann. Dadurch kann eine sekundäre Stromquelle, z. B. ein Generator, online geschaltet werden und mit der Notstromversorgung fortfahren. Die USV kann nicht unbedingt benötigte Lasten sicher abschalten und gleichzeitig wichtigere Gerätelasten weiterhin mit Strom versorgen. USV-Systeme bieten diese wichtige Unterstützung für verschiedene Anwendungen seit vielen Jahren. Eine USV nutzt gespeicherte Energie aus einer integrierten Energiequelle. Dabei handelt es sich typischerweise um eine Batteriebank, einen Superkondensator oder die mechanische Bewegung eines Schwungrads als Energiequelle.

Eine typische USV, die eine Batteriebank zur Versorgung nutzt, besteht aus den folgenden Hauptkomponenten:

Gleichrichter/Ladegerät – Dieser USV-Abschnitt übernimmt die Wechselstromversorgung, richtet sie gleich und erzeugt eine Gleichspannung, die zum Laden der Batterien verwendet wird.

• Wechselrichter – Im Falle eines Stromausfalls wandelt der Wechselrichter den in den Batterien gespeicherten Gleichstrom in sauberen Wechselstrom um, der für die unterstützten Geräte geeignet ist.

• Transferschalter – Ein automatisches und unverzögertes Schaltgerät, das Strom von verschiedenen Quellen, z. B. Netz, USV-Wechselrichter und Generator, an eine kritische Last überträgt.

• Batteriebank – Speichert die Energie, die die USV benötigt, um ihre beabsichtigte Funktion zu erfüllen.

Aktuelle Standards für USV-Anlagen

• Der aktuelle US-amerikanische ANSI-Standard für USV ist UL 1778/C22.2 Nr. 107.3, der Standard für unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme, der eine USV als „eine Kombination aus Wandlern, Schaltern und Energiespeichergeräten (z. B. Batterien) definiert, die eine Stromversorgung bilden.“ System zur Aufrechterhaltung der Kontinuität der Stromversorgung einer Last im Falle eines Stromausfalls.“

• In der Entwicklung befinden sich neue Ausgaben von IEC 62040-1 und IEC 62477-1. UL/CSA 62040-1 (unter Verwendung von UL/CSA 62477-1 als Referenzstandard) wird mit diesen Standards harmonisiert.

Wir stellen vor Energiespeicher Systeme (ESS)

ESSs gewinnen zunehmend an Bedeutung als Antwort auf eine Reihe von Herausforderungen bei der Verfügbarkeit und

Zuverlässigkeit auf dem heutigen Energiemarkt. ESS, insbesondere solche, die Batterietechnologien nutzen, tragen dazu bei, die schwankende Verfügbarkeit erneuerbarer Energiequellen wie Solar- oder Windenergie zu verringern. ESS sind eine zuverlässige Stromquelle zu Spitzenlastzeiten und können beim Lastmanagement, bei Stromschwankungen und anderen netzbezogenen Funktionen helfen. ESS werden für Versorgungs-, Gewerbe-, Industrie- und Wohnanwendungen eingesetzt.

Aktuelle Standards für ESS

UL 9540, der Standard für Energiespeichersysteme und -geräte, ist der amerikanische und kanadische nationale Standard für ESS.

• UL 9540 wurde erstmals 2016 veröffentlicht und umfasst mehrere Technologien für ESS, einschließlich Batterieenergiespeichersysteme (BESS). UL 9540 deckt auch andere Speichertechnologien ab: mechanische ESS, z. B. Schwungradspeicher gepaart mit einem Generator, chemische ESS, z. B. Wasserstoffspeicher gepaart mit einem Brennstoffzellensystem, und thermische ESS, z. B. Latentwärmespeicher gepaart mit einem Generator.
• UL 9540, zweite Ausgabe, definiert ein Energiespeichersystem als „Gerät, das Energie empfängt und dann die Möglichkeit bietet, diese Energie in irgendeiner Form für die spätere Verwendung zu speichern, um bei Bedarf elektrische Energie bereitzustellen.“ Die zweite Ausgabe von UL 9540 verlangt außerdem, dass ein BESS UL 9540A, der Standardtestmethode zur Bewertung der thermischen Brandausbreitung in Batterieenergiespeichersystemen, unterzogen werden muss, sofern dies zur Erfüllung von Ausnahmen in den Vorschriften erforderlich ist.
• UL 9540 liegt derzeit in der dritten Auflage vor.

Vergleich von ESS mit UPS

Funktionen und Dimension

Eine ESS ähnelt im Aufbau einer USV, unterscheidet sich jedoch in der Verwendung. Wie die USV umfasst auch die ESS einen Energiespeichermechanismus wie Batterien, Stromumwandlungsgeräte, z. B. Wechselrichter, und verschiedene andere elektronische Geräte und Steuerungen. Im Gegensatz zur USV kann ein ESS jedoch parallel zum Netz betrieben werden, was zu einem größeren Zyklus des Systems führt, als dies bei einer USV jemals der Fall wäre. Ein ESS kann interaktiv mit dem Netz oder im Standalone-Modus oder beidem zusammenarbeiten, abhängig von der Art des verwendeten Stromumwandlungssystems. Ein ESS kann sogar als USV-Funktionalität dienen. Wie USV kann ESS in verschiedenen Größen erhältlich sein, von einem kleinen Wohnsystem mit weniger als 20 kWh Energie bis hin zu Versorgungsanwendungen mit Multi-Megawatt-Energiecontainersystemen mit mehreren Batterieracks innerhalb des Containers

Chemische Zusammensetzung und Sicherheit

Die typische Batteriechemie, die in USVs verwendet wird, war schon immer Blei-Säure- oder Nickel-Cadmium-Batterien. Im Gegensatz zu USV nutzt BESS von Anfang an Technologien wie Lithium-Ionen-Batterien, da Lithium-Ionen-Batterien eine bessere Zyklenleistung und eine höhere Energiedichte aufweisen, wodurch mehr Energie bei geringerem Platzbedarf bereitgestellt werden kann. Lithium-Ionen-Batterien haben außerdem einen deutlich geringeren Wartungsaufwand als herkömmliche Batterietechnologien. Aber auch in USV-Anwendungen kommen mittlerweile zunehmend Lithium-Ionen-Batterien zum Einsatz.

Ein schwerer Unfall in Arizona im Jahr 2019 mit einem in Versorgungsanwendungen eingesetzten ESS führte jedoch zu schweren Verletzungen mehrerer Ersthelfer und erregte die Aufmerksamkeit verschiedener Interessengruppen, darunter Aufsichtsbehörden und Versicherungsbehörden. Um sicherzustellen, dass dieser wachsende Bereich nicht durch vermeidbare Sicherheitsvorfälle beeinträchtigt wird, müssen entsprechende Spezifikationen und Standards für ESS entwickelt werden. Um die Entwicklung geeigneter Sicherheitsspezifikationen und -standards für ESS zu fördern, hat das US-Energieministerium (DOE) 2015 das erste jährliche Forum zur Sicherheit und Zuverlässigkeit von ESS ins Leben gerufen.

Das erste DOE-ESS-Forum trug zu einem großen Teil der Arbeit an ESS-Spezifikationen und -Standards bei. Am bemerkenswertesten ist die Entwicklung von NEC Nr. 706 und die Entwicklung von NFPA 855, einem Standard für stationäre Energiespeichersysteminstallationen, der sich direkt auf den Standard für stationäre Batteriesysteme in ICC IFC und NFPA 1 auswirkt. Heute haben NEC und NFPA 855 wurde auch für die Versionen 2023 aktualisiert.

Aktueller Stand der ESS- und UPS-Standards

Das Ziel aller Aktivitäten zur Entwicklung von Regeln und Standards besteht darin, die Sicherheit dieser Systeme angemessen zu gewährleisten. Leider haben die aktuellen Standards in der Branche für einige Verwirrung gesorgt.

1. NFPA 855. Das wichtigste Dokument, das sich auf die Installation von BESS und USV auswirkt, ist die Version 2020 von NFPA 855, Standard für die Installation stationärer Energiespeichersysteme. NFPA 855 definiert Energiespeicher als „eine Anordnung aus einem oder mehreren Geräten, die in der Lage sind, Energie für die zukünftige Versorgung lokaler elektrischer Verbraucher, Versorgungsnetze oder Netzunterstützung zu speichern.“ Diese Definition umfasst Anwendungen für UPS und ESS. Darüber hinaus erfordern NFPA 855 und Brandschutzbestimmungen, dass ESSs nach UL 9540 bewertet und zertifiziert werden. Allerdings war UL 1778 schon immer der traditionelle Produktsicherheitsstandard für USV. Das System wurde unabhängig auf die Einhaltung der geltenden Sicherheitsanforderungen hin bewertet und unterstützt eine sichere Installation. Daher hat die Anforderung von UL 9540 in der Branche für einige Verwirrung gesorgt.

2. UL 9540A. Gemäß UL 9540A muss mit dem Batteriestand begonnen und Schritt für Schritt getestet werden, bis der Installationsstand erreicht ist. Diese Anforderungen führen dazu, dass USV-Systeme Vermarktungsstandards unterliegen, die in der Vergangenheit nicht erforderlich waren.

3.UL 1973. UL 1973 ist der Batteriesystem-Sicherheitsstandard für ESS und USV. Allerdings enthält die UL-Version 1973-2018 keine Prüfbestimmungen für Blei-Säure-Batterien, was auch für USV-Systeme, die herkömmliche Batterietechnologie wie Blei-Säure-Batterien verwenden, eine Herausforderung darstellt.

Zusammenfassung

Derzeit klären sowohl der NEC (National Electrical Code) als auch NFPA 855 diese Definitionen.

• In der Version 2023 von NFPA 855 wird beispielsweise klargestellt, dass bestimmte Blei-Säure- und Nickel-Cadmium-Batterien (600 V oder weniger) in UL 1973 aufgeführt sind.
• Darüber hinaus müssen nach UL 1778 zertifizierte und gekennzeichnete Blei-Säure-Batteriesysteme bei Verwendung als Notstromversorgung nicht nach UL 9540 zertifiziert werden.

Um das Problem der fehlenden Teststandards für Blei-Säure- und Nickel-Cadmium-Batterien in UL 1973 zu lösen, wurde Anhang H (Bewertung von Alternativen zu ventilgeregelten oder belüfteten Blei-Säure- oder Nickel-Cadmium-Batterien) speziell hinzugefügt dritte Ausgabe von UL 1973, veröffentlicht im Februar 2022.

Diese Änderungen stellen eine positive Entwicklung dar, um die sicheren Installationsanforderungen von USV und ESS zu differenzieren. Zu den weiteren Arbeiten gehört die Aktualisierung des NEC-Artikels 480, um die Installationsanforderungen für andere Technologien als Blei-Säure und Nickel-Cadmium besser zu erfüllen. Darüber hinaus muss der NFPA 855-Standard weiter aktualisiert werden, um mehr Klarheit über die Brandschutzvorschriften zu schaffen, insbesondere im Hinblick auf die verschiedenen Technologien, die in stationären Anwendungen verwendet werden, sei es USV oder ESS.

Der Autor hofft, dass weitere Änderungen die Sicherheit der Branche verbessern werden, unabhängig davon, ob eine herkömmliche USV oder ein ESS verwendet wird. Da wir sehen, dass sich Energiespeicherlösungen in erheblichem Maße und schnell verbreiten, ist die Berücksichtigung der intrinsischen Sicherheit von Produkten von entscheidender Bedeutung, um Sicherheitsinnovationen freizusetzen und die Bedürfnisse der Gesellschaft zu erfüllen.