Kommunikative Komponenten liefern kritische Informationen
Anlagenverfügbarkeit ist planbar
Mit bewährten Methoden wie Redundanz, Selektivität und präventiver Wartung lässt sich in der elektrischen Energieverteilung ein hoher Grad an Anlagenverfügbarkeit gewährleisten. Kosten und Aufwand sind dabei allerdings hoch. Die Digitalisierung eröffnet effiziente Alternativen, um Stillstände und dadurch bedingte Ausfallkosten zu vermeiden: Ein systematisches Condition Monitoring schafft die Voraussetzung - und sollte deshalb bereits Teil der Planung sein.
Bild 1 | Die Digitalisierung stellt neue Anforderungen an den Elektroplaner.
Bild 1 | Die Digitalisierung stellt neue Anforderungen an den Elektroplaner.Bild: Siemens AG

Zweifellos ist eine zuverlässige Stromversorgung in Zeiten der Digitalisierung überlebenswichtig, ganz besonders in kritischen Industrie- und Infrastruktureinrichtungen. Erschreckend hoch sind allein die wirtschaftlichen Schäden. Sobald eine Kernkomponente in der Energieversorgung ausfällt, muss oft der komplette Betrieb eingestellt werden. Ausfallzeiten zu minimieren ist aber nicht nur Aufgabe des Stromversorgers. Ebenso in der Pflicht sind Elektroplaner, um auch „hinter“ dem Zähler, also im Gebäude selbst, für maximale Ausfallsicherheit zu sorgen. Als Minimalanforderung gilt eine Verfügbarkeit der Energieverteilung von 99 Prozent – was bei einigen Anwendungen längst nicht reicht. Beispiel Rechenzentren: Von hoher Verfügbarkeit kann dort überhaupt erst ab 99,9 Prozent gesprochen werden. Warum, verdeutlicht eine einfache Rechnung: Angenommen, das dortige Stromversorgungssystem arbeitet mit 99,9-prozentiger Zuverlässigkeit. Damit wäre es pro Jahr 8.751 Stunden verfügbar, die rechnerische Ausfallzeit läge bei 8,8 Stunden. Was wenig klingt, ist extrem teuer: Denn ein Ausfall kann schnell 9.000 US-Dollar kosten – pro Minute! Bei 8,8 Stunden läge der Schaden bei 4.752.000 US-Dollar jährlich. Hätte das System dagegen eine Verfügbarkeit von 99,995 Prozent – und damit eine Ausfallzeit von nur 26,3 Minuten pro Jahr – entspräche das einer Kostenersparnis von 4.515.300 US-Dollar.

Bild 2 | Ein systematisches Condition Monitoring ermöglicht daten- und zustandsbasierte Wartungskonzepte (Predictive Maintenance) in der elektrischen Energieverteilung.
Bild 2 | Ein systematisches Condition Monitoring ermöglicht daten- und zustandsbasierte Wartungskonzepte (Predictive Maintenance) in der elektrischen Energieverteilung.Bild: Siemens AG

Herkömmliche Lösungen: teuer und aufwändig

Mit herkömmlichen Mitteln lassen sich bereits heute weitgehend unterbrechungsfreie, hoch verfügbare Energieverteilungslösungen aufbauen. Auf Anlagenseite werden hierbei oft redundante Strompfade eingesetzt. Ausfälle von Komponenten in der Niederspannungsunterverteilung können dadurch allerdings nicht immer verhindert werden. Um die Risiken eines Ausfalls zu minimieren, werden in Ausschreibungen deshalb häufig möglichst robuste Komponenten und fehlertolerante Systeme vorgegeben. Auch Selektivität ist eine Möglichkeit. Beides allerdings ist mit steigenden Gesamtkosten verbunden, unter anderem durch erhöhten Planungsaufwand, zusätzliche Betriebsmittel und größeren Platz- und Instandhaltungsbedarf. Im laufenden Betrieb soll die regelmäßige Instandhaltung Ausfälle verhindern. Elektrische Anlagen und Geräte wurden in der Vergangenheit üblicherweise nach definierten Zeitintervallen geprüft. Deren Zustand und tatsächliche Betriebsfähigkeit aber lässt sich dabei nur abschätzen. Die Nachteile liegen auf der Hand: Werden Anlagen oder betriebsrelevante Komponenten zu früh gewartet oder gar ausgetauscht, können zwar Stillstände aufgrund verschlissener Betriebsmittel vermieden werden. Unter Umständen aber werden Servicemitarbeiter umsonst tätig und/oder Systeme ausgewechselt, die eigentlich noch funktionsfähig sind. Noch schwerer wiegt eine zu späte Inspektion, die zu teuren Störungen oder riskanten Sicherheitslücken im Anlagenbetrieb führen kann.

Zustandsbasierte Wartungskonzepte sparen Geld

Wo können also neue Konzepte ansetzen, um die Verfügbarkeit einer qualitativ hochwertigen Energieverteilung weiter zu steigern und gleichzeitig Aufwand und Kosten zu sparen? Und wie kann dies geschehen, ohne den Planungsaufwand weiter zu erhöhen? Schließlich hat sich das Aufgabenspektrum des Elektroplaners im Anlagenbau innerhalb der vergangenen Jahre per se schon beträchtlich erweitert – und das bei gleichzeitiger Verknappung von Zeit und Budget. Es sind also effizientere und intelligentere Lösungen als bisher gefragt, die praktikabel und leicht umsetzbar sind. Neue Möglichkeiten bietet die Digitalisierung, konkreter: eine daten- und zustandsbasierte Wartung (Predictive Maintenance). Die Voraussetzung dafür schafft ein systematisches Condition Monitoring, das heißt eine automatische Zustandsüberwachung von Anlagen und Geräten. Die Technologie hat sich in industriellen Umgebungen bereits vielfach bewährt, in der elektrischen Energieversorgung werden ihre Potenziale jedoch erst allmählich erschlossen. Der Zustand der wichtigsten Komponenten der Energieverteilung, beispielsweise von Leistungsschaltern, wird dabei automatisch überwacht. Sogenannte Gesundheitsindikatoren können dabei Daten über Abnutzungserscheinungen oder die restliche Lebensdauer liefern. Da allerdings eine große Anzahl von gelieferten Daten für sich genommen noch keine aussagekräftige Information darstellt, werden die gemessenen Werte sinnvoll zueinander in Beziehung gesetzt und ausgewertet, und die notwendigen Informationen über den „Gesundheitszustand“ übersichtlich visualisiert. Diese Aufgabe übernehmen die Geräte weitgehend selbstständig. Die daraus entstehenden Status- oder Warnmeldungen können über unterschiedliche Softwaretools dargestellt werden. Auf dieser Basis lässt sich dann präzise vorhersagen, wann ein Komponente eine Wartung benötigt oder wann sie ausfallen wird. Betreiber und Servicemitarbeiter erhalten alle Informationen, um daraufhin Instandhaltungsmaßnahmen zu planen bzw. vorzunehmen. Auch wenn die Investitionskosten bei diesem Ansatz moderat ansteigen, werden die Gesamtausgaben durch eine Reduzierung der Wartungskosten um bis zu 30 Prozent deutlich gesenkt. Zudem können durch den Einsatz kommunikationsfähiger Komponenten und zustandsbasierter Wartung redundante Strompfade und selektive Aufbauten womöglich obsolet und weitere Aufwendungen vermieden werden.

Bild 3 | Kommunikationsfähige, sich selbst überwachende Bauteile liefern Informationen über den Gesundheitszustand wichtiger Systemkomponenten und erlauben damit präzise Vorhersagen über deren Lebensdauer.
Bild 3 | Kommunikationsfähige, sich selbst überwachende Bauteile liefern Informationen über den Gesundheitszustand wichtiger Systemkomponenten und erlauben damit präzise Vorhersagen über deren Lebensdauer.Bild: Siemens AG

Condition Monitoring ist planbar

Die Grundlage für ein Condition-Monitoring-Konzept muss bereits im Rahmen der Elektroplanung gelegt werden. So lässt sich dieses technisch wie wirtschaftlich von Anfang an effizient umsetzen. Auf der Feldebene sind geeignete kommunikationsfähige Komponenten vorzusehen, die Informationen über den „Gesundheitszustand“ zur Verfügung stellen. Entsprechende Kompaktleistungsschalter beispielsweise sind heute in der Lage, nicht nur vor Ausfällen zu schützen, sondern gleichzeitig Zustands- und Diagnosedaten zu erfassen – ohne zusätzlichen Platzbedarf oder weitere Module zu erfordern. Zusätzlich einplanen müssen Elektroplaner lediglich eine Plattform für den Zugriff auf die Diagnosedaten und deren Analyse, die gleichzeitig auch für Auswertung von Energiedaten verwendet werden kann. Je nach Art der Applikation erfolgt dies im lokalen Netzwerk oder über cloudbasierte Anwendungen.

Fazit

Durch den Einsatz kommunikationsfähiger, sich selbst überwachender Bauteile und ein dadurch mögliches datenbasiertes Condition Monitoring können Energieverteilungen heute so gestaltet werden, dass die Geräte sowohl die Energieverbrauchswerte als auch alle Informationen für eine zustandsbasierte Wartung ihrer Anlagen liefern. Informationen über den Gesundheitszustand wichtiger Systemkomponenten erlauben präzise Vorhersagen über deren Lebensdauer. Instandhaltungsarbeiten können so punktgenau geplant werden. Die echten Einsparungen resultieren aber nicht aus der Instandhaltung, sondern durch eine niedrigere Ausfallwahrscheinlichkeit von Komponenten, was die Anlagenverfügbarkeit erhöht.

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