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Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungseinrichtung und ein Rechenzentrum mit einer Energieversorgungseinrichtung.
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Stand der Technik
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Es sind Rechenzentren bekannt, die ihre Energie aus einem Wechselstromnetz beziehen.
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1 zeigt ein bekanntes Versorgungsnetzes 5 für ein Rechenzentrum. Die Versorgung erfolgt aus einem Netzanschluss 11, 21, insbesondere an das öffentliche Versorgungsnetz. Aus Gründen der Ausfallsicherheit sind meistens zwei getrennte Netzanschlüsse vorgesehen. Weiterhin sind Backup-Systeme, wie beispielsweise Generatoren 12, 22 ausgebildet. Die Generatoren 12, 22 stellen Energie zur Verfügung, wenn z.B. das Netz 11, 21 ausfällt. Automatic Transfer Switches 13, 23 ermöglichen das Umschalten zwischen dem Netzanschluss 11, 21 und dem Generator 12, 22. Die Power Distribution Units (PDU) 16, 26 verteilen den Strom an die einzelnen Komponenten des Rechenzentrums. Unterbrechungsfreie Spannungsversorgung (USV) 14, 15, 24, 25 stellen die unterbrechungsfreie Versorgung der einzelnen Komponenten 31, 32,33 des Rechenzentrums sicher.
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Die Netzstruktur aus 1 stellt ein 2(N+1) System nach Rating 4 der Klassifizierung aus DIN EN 50600-1 und EN50060 2-2 dar. Die Versorgung erfolgt über zwei redundante Pfade 10, 20, in welchem nochmals jedes System zweifach redundant vorhanden ist. Die Komponenten 31, 32, 33 sind über Sammelschienen angebunden, über welche jeweils die komplette Leistung geleitet werden kann. Fällt ein Pfad 10, 20 aus, übernimmt der andere die gesamte Versorgung. Zum Umschalten zwischen zwei Sammelschienen ist ein Static Transfer Switch (STS) 19 ausgebildet, der die Versorgung in <4ms von einem auf den anderen Pfad 10, 20 schaltet. Allerdings ist der STS nicht immer zwingend notwendig, wenn beide Pfade stromführend sind und im Normalbetrieb jeder Pfad die halbe Leistung liefert.
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Nachteilig an einer solchen Versorgung eines Rechenzentrums ist die Abhängigkeit von Netzanschlüssen 11, 12 und damit von den Kosten für die Bereitstellung.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe besteht in der Verbesserung der Wirtschaftlichkeit und der Ausfallsicherheit einer Energieversorgungseinrichtung.
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Gelöst wir die Aufgabe mit einer erfindungsgemäßen Energieversorgung und/oder Rechenzentrum.
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Dier erfindungsgemäße Energieversorgungseinrichtung zur Versorgung eines Verbrauchers, insbesondere zumindest einer Informationsverarbeitungsvorrichtung, weist mehrere, mindestens zwei, Brennstoffzellenmodule, die elektrische Energie erzeugen und über ein Netz dem Verbraucher bereitstellen, auf. Vorteilhaft ist, dass ein elektrisches Netz vorgesehen ist, welches die Brennstoffzellenmodule mit dem Verbraucher verbindet, wobei das Netz als Single Path Netz ausgeführt ist.
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Vorteil der Single-Path AC Netze ist deren einfacher und damit kostengünstiger Aufbau. Die fehlende Redundanz wird kompensiert durch das modulare System aus Brennstoffzellenmodulen und Speichermodulen. Single Path bedeutet nur einen Pfad. Zwischen einem Brennstoffzellenmodul und dem Verbraucher besteht nur ein Pfad.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Energieversorgungseinrichtung.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung ist, dass ein Speichermodul vorgesehen ist, welches zumindest einen elektrischen Speicher aufweist, wobei das Speichermodul mit dem elektrischen Netz verbunden ist. Der elektrische Speicher ist insbesondere als Akkumulator oder Kondensator ausgeführt.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung ist, dass mindestens eines der Brennstoffzellenmodule zumindest eine Brennstoffzelle aufweiset, wobei die Brennstoffzelle insbesondere als Festoxidbrennstoffzelle, vorzugsweise als eine Solid Oxid Fuel Cell (SOFC) ausgebildet sind. Die Versorgung der Brennstoffzellen erfolgt z.B. über einen Anschluss an das Gasnetz.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung ist, dass das elektrische Netz als Wechselstromnetz ausgeführt ist. Vorzusgweise ist das elektrische netz als Single Path ausgeführt.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung ist, dass die Brennstoffzellenmodule ein internes Netz, insbesondere ein Gleichstromnetz, aufweist und dass eine Leistungselektronik ausgebildet ist, welche insbesondere als Inverter ausgebildet ist, wobei die Leistungselektronik das interne Netz mit einem Wechselstromnetz verbindet.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung ist, dass mindestens eines der Speichermodule einen elektrischen Speicher aufweist, der insbesondere als Kondensator oder als Akkumulator ausgebildet ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das elektrische Netz mindestens eine Sammelschiene.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung ist, dass die gleiche Anzahl an Brennstoffzellenmodule und Speichermodule ausgebildet sind.
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Die Erfindung betrifft auch ein Rechenzentrum aufweisend zumindest eine Informationsverarbeitungseinrichtung, die Teil eines Verbrauchers und eine Energieversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Energieversorgungseinrichtung zumindest eine der Informationsverarbeitungseinrichtung mit Energie versorgt und wobei ein elektrisches Netz, welches die Brennstoffzellen und die Informationverarbeitungseinheit verbinde ausgebildet ist, und wobei das Netz als Single Path ausgeführt ist.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wobei gleiche beziehungsweise entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Bezugszeichen ohne Buchstabenendung beziehen sich auch immer auf die gleichen Bezugszeichen mit Buchstabenendung. Es zeigen:
- 1 ein Rechenzentrum, welches mittels einer bekannten Versorgungsstruktur versorgt wird,
- 2a und 2b ein Brennstoffzellenmodul,
- 3a bis 3d Varianten des internen Aufbaus,
- 4 das Netz als One-Path Netz und
- 5 bis 7 jeweilse eine weitere Ausführungsform.
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In 1 ist ein Rechenzentrum dargestellt, welches mittels einer 2 (N+1) Versorgungsstruktur versorgt wird. Die Primärversorgung erfolgt aus einem Netzanschluss 11, 21, insbesondere aus dem öffentlichen Versorgungsnetz. Die Primärversorgung versorgt primär, insbesondere ausgenommen bei Ausfall, das Rechenzentrum. Die Sekundärversorgung erfolgt aus Backup-Systemen, insbesondere Generatoren. Die Sekundärversorgung ist die Versorgung, die immer verfügbar sein muss, insbesondere wenn die Primärversorgung ausfällt. Kritische Lasten sind elektrischen Verbraucher, die eine ununterbrochene gesicherte Stromversorgung benötigen, wie beispielsweise medizinische Geräte in Krankenhäusern aber auch Informationsverarbeitungsvorrichtungen, insbesondere IT System, vorzugsweise Server, deren Verfügbarkeit gewährleistet sein muss. Aus Gründen der Ausfallsicherheit sind meistens zwei getrennte Netzanschlüsse vorgesehen. Weiterhin sind Backup-Systeme, wie beispielsweise Generatoren 12, 22 ausgebildet. Die Generatoren 12, 22 springen ein, wenn z.B. das Netz 11, 21 ausfällt. Die Power Distribution Units (PDU) 16, 26 verteilen den Strom an die einzelnen Komponenten des Rechenzentrums. Unterbrechungsfreie Spannungsversorgung (USV) 14, 15, 24, 25 stellen die unterbrechungsfreie Versorgung von kritischen Lasten 31, 32, 33 sicher.
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Es erfolgt bei der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinrichtung die Primärversorgung und optional auch die Sekundärversorgung, des Verbrauchers, insbesondere der Informationsverarbeitungsvorrichtung zumindest teilweise mit zumindest zwei Brennstoffzellen.
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Vorzugsweise sind mehrere Brennstoffzellenmodule zur Erzeugung der Energie zum Betrieb des Verbrauchers vorgesehen. Die Brennstoffzellenmodule wird als Energiequelle in die Versorgungsstruktur des Netzes für Verbraucher 30, eingebunden. Es wird durch die Brennstoffzellenmodule eine redundante zuverlässige Versorgung gewährleistet.
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Erfindungsgemäß soll die primäre und/oder die sekundäre Energieversorgung des Verbrauchers 30 durch eine oder mehrere Brennstoffzellenmodule erfolgen. Ein Verbraucher ist insbesondere ein Rechenzentrum. Wobei unter einem Rechenzentrum auch ein Datencenter zu verstehen ist. Der Verbraucher 30 weist vorzugsweise zumindest eine Komponente 31, 32, 33 auf. Die Komponente ist vorzugsweise als Informationsverarbeitungsvorrichtung, insbesondere als Server, ausgebildet.
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Die erfindungsgemäße Energieversorgungseinrichtung zur Versorgung eines Verbrauchers, insbesondere eines Rechenzentrums 30, ist hinsichtlich Kosten, Energieeffizienz und ökologischer Nachhaltigkeit vorteilhaft. Insbesondere die Wandlungskette vom Kraftwerk über das Versorgungsnetz bis hin zum Rechenzentrum ergibt eine „Fuel to Bit“-Efficiency von 19% gegenüber einer „Fuel to Bit“-Efficiency von 31% eines Brennstoffzellen betriebenen Rechenzentrums. Es ergibt sich eine CO2 Reduktion.
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Ein Anschluss an das elektrische Versorgungsnetz 11, 21 wird nicht mehr benötigt oder ist optional als redundante Absicherung der Versorgung möglich. Die Energieversorgungseinrichtung 1 arbeitet daher entsprechend eines Inselnetz (Nano-Grid). Auch sind keine zweit Pfade 10, 20 gemäß 1 nötig.
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Die Energieversorgungseinrichtung 1 weist mindestens zwei Brennstoffzellenmodule 40 auf. Die benötigte Gesamtleistung ergibt sich durch modulares zusammensetzen der einzelnen Brennstoffzellenmodul 40.
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Die Anzahl der Brennstoffzellenmodule 40 ist abhängig von der vom Verbraucher 30 benötigten Versorgungsleistung. Ein Brennstoffzellenmodul kann eine beliebige Anzahl an Brennstoffzellen aufweisen. Eine Brennstoffzelle kann beispielsweise 10kW im Normalbetrieb bereitstellen. Die Leistung eines Pfades im Rechenzentrum liegt bei ca. 1MW. Somit werden zirka 100 Brennstoffzellen oder Brennstoffzellenmodule mit einer entsprechenden Anzahl an Brennstoffzellen je Pfad benötigt. Somit werden zirka 100 Brennstoffzellenmodule je Pfad benötigt. Diese können durch Clusterung erreicht werden. Ein Cluster von 10 Brennstoffzellenmodule ergibt 100kW. Für 1MW werden 10 Cluster benötigt.
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Insbesondere kann alles was im Folgenden als ein Brennstoffzellenmodul angegeben ist, ebenfalls als ein Cluster ausgebildet sein. Somit mehr als eine Brennstoffzelle aufweisen. Und damit mehr als 10kW Leistung erzeugen.
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Eine beispielhafte Ausgestaltung eines Brennstoffzellenmoduls ist in 2a und 2b gezeigt.
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Die Versorgung der Brennstoffzellen erfolgt insbesonder über ein Gasnetz Oder Wasserstoffnetz oder Tanks.
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In 2a ist der interner Aufbau eines Brennstoffzellenmoduls 40 mit internem Netz 47 dargestellt. Die Peripheriegeräte 45a, 45b, 45c sind über Leistungselektroniken 46a, 46b, 46c an den internen Bus 47 gekoppelt. Die Leistungseletroniken 46a, 46b, 46c sind DC/DC oder DC/AC Wandler, abhängig vom internen Netz und dem zu versorgenden Peipheriegerät. Insbesondere ist 45 a als Gleichstromlast, bspw. ein Steuergerät ausgebildet. Entsprechend ist die Leistungselektronik 46 als Gleichstromwandler ausgebildet. Insbesondere ist 45b als Gaszufuhr oder Wasserstoffzufuhr und 45c als Gebläse für die Luftzufuhr ausgebildet. Die Leistungselektroniken 46b und 46c sind entsprechend als Gleichstrom-Wechselstromwandler ausgebildet. Es können beliebig viele peripheriegeräte parallel geschaltet ausgebildet sein.
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Die Brennstoffzellenmodule 40, 40a bis 40j bestehen insbesondere aus mindestens einer Brennstoffzelle 41 mit mindestens einem Brennstoffzellenstack, mindestens einem Peripheriegerät 45 und einer Leistungselektronikeinheit 50. Die Brennstoffzellen 41 sind insbesondere als Festoxidbrennstoffzelle, insbesondere eine Solid Oxid Fuel Cell (SOFC) ausgebildet.
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Optional umfasst das Brennstoffzellenmodul 40, 40a bis 40j vorzugsweise mindestens ein elektrisches Speichermodul 55 für dynamische Laständerungen. Das Speichermodul 55 ist vorzugsweise als dynamischer Energiespeicher ausgebildet. Dieser dient dazu, dynamischen Lastrampen zu folgen, wenn die Brennstoffzellenmodule 40a bis 40j diesen nicht folgen können. Das elektrische Speichermodul 55 kann umfasst einen Speicher, der insbesondere als Kondensator oder Akkumulator ausgeführt ist.
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Ein Akkumulator ist ein wiederaufladbares galvanisches Element, bestehend aus zwei Elektroden und einem Elektrolyten, und speichert elektrische Energie auf elektrochemischer Basis. Ein einzelnes wiederaufladbares Speicherelement wird Sekundärelement oder Sekundärzelle genannt.
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Vorzugsweise kann der elektrische Speicher als Super-Cap ausgebildet sein. Das elektrische Speichermodul kann entweder in einem Brennstoffzellenmodul 40, 40a bis 40j integriert sein oder extern, also elektrisch parallel oder in Reihe zu einem Brennstoffzellenmodul hinzugefügt werden. Das elektrische Speichermodul kann kumuliert oder ebenso modular aufgebaut sein und wie eine USV betrieben werden. Die modulare Energieversorgungseinrichtung 1 inklusive einem Speichermodul 55 ist dann in der Lage ein redundantes 2(N+1) Netz zu ersetzen. Ein Brennstoffzellenmodul 40 mit einem Speichermodul 55 ist in 3c und 3d dargestellt.
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Weiterhin weisen die Brennstoffzellenmodule ein internes Netz 47 auf. Das interne Netz 47 dient der Verteilung der elektrischen Energie, die von der Brennstoffzelle 41 erzeugt wird. Die Brennstoffzelle 41 erzeugt eine Gleichspannung. Das interne Netz 47 ist daher vorzugsweise eine Gleichstromnetz.
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Das Brennstoffzellenmodul 40 verfügt über eine Leistungselektronik 50, die mit dem internen Netz 47 elektrisch verbunden ist. Die Leistungselektronik 50 ist insbesondere als Gleichspannung zu Wechselstromwandler, vorzugsweise als DC/AC Wandler ausgebildet. Sie wandelt die Gleichspannung des internen Netzes 47 in eine Wechselspannung. Ferner ist die Leistungselektronik 50 vorgesehen um die zur Verfügung gestellte Energie ins Netz 60, insbesondere Wechselstromnetz, einzuspeisen.
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In 2b ist eine alternative Ausführunsgform dargestellt, bei der die Peripheriegeräte über das externe Netz 60 versorgt werden. Entsprechend können Leistungselektroniken entfallen, wenn die Peripherigeräte die gleich Spannung wie das Netz 60 aufweisen.
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Die 3a bis 3d zeigen Varianten des internen Aufbaus des Brennstoffzellenmoduls 40.
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3a zeigt ein Brennstoffzellenmodul 40, bei dem die Brennstoffzelle, insbesondere der Brennstoffzellen Stack 41 und Peripherie 45 an dem internen Netz 47 angeschlossen sind und über eine Leistungselektronik 50, mit einem externen Netz 60 verbunden sind. Das interne Netz 47 ist als Gleichstromnetz ausgeführt. Die Brennstoffzelle 41 und die Peripherie 45 sind parallel zueinander geschalten. Die Leistungselektronik 50 bildet einen DC/AC Wandler der die Gleichspannung des internen Netz 47 in eine Wechselspannung für das externe Netz 60 umwandelt.
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In 3b ist zusätzlich an das interne Netz 47, an dem die Brennstoffzelle 41 und die Peripherie 45 angebunden ist, ein elektrischer Speicher 55 gekoppelt, der dynamische Lastschwankungen ausgleicht, wenn die Brennstoffzelle 41 nicht schnell genug die Leistungsabgabe anpassen kann.
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3c unterscheidet sich von 3a dahingehend, dass die Peripherie 45 direkt an das externe Netz 60, insbesondere das Wechselstromnetz angeschlossen ist.
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3d ist die Peripherie 45 ebenso direkt an das externe Netz 60 gekoppelt und das Brennstoffzellenmodul 40 weist einen internen Speicher 55 auf.
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Die gezeigten Varianten können als modulares System an einem Netz 60 zusammengeschaltet werden. Das Netz 60 ist insbesondere als Sammelschiene ausgebildet. Vorzugsweise ist das Netz als Sammelschiene ausgebildet. Vorzugsweise sind mehrere Sammelschienen ausgebildet, welche das Netz bilden. Die Verbraucher sind über eine, insbesondere mehrere Sammelschienen angebunden, über welche jeweils die komplette Leistung geleitet werden kann. Vorzugsweise sind zwei Sammelschienen ausgebildet.
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4 zeigt das Netz 60, welches insbesondere als One-Path, vozusgweise one-Cord Verbindung ausgebildet ist. Vorzugsweise ist bei einem Mehrphasigen System für jede Phase nur eine Sammelschiene, insbesondere Path ausgebildet. Vorzugsweise weist das System nur eine Phase auf. Die Komponente 31 des Verbrauchers 30, insbesondere die Informationsverarbeitungsvrrichtung 31 des Rechenzentrums 30 ist mittels einer Leistungselektronik 62, insbesondere eines Power Supply Unit (PSU), vorzugsweise einem AC-DC Wandler elektrische mit dem Netz 60 verbunden. Vorzugsweise ist das Netzes 60 über eine Leistungselektronik 62a - 62b mit dem Verbraucher verbunden. Vorzusgweise sind je Verbraucher mehr als eine Leistungselektronik vorgesehen. Die Leistungselektroniken eines Verbrauchers greifen jedoch auf das gleich Netz 60 zu. Es besteht nur ein Single Path zu den Leistungselektroniken.
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Die Verbraucher 30 setzt sich aus mehreren Komponenten zusammen. Eine Komponente 35 kann insbesondere eine Informationsverarbeitungseinrichtung 35, vorzugsweise ein Server sein.
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Beispielhaft ist in 5 ein 100kW System bestehend aus einer Energieversorgungseinrichtung 1 mit zehn Brennstoffzellenmodulen zur Versorgung von 10 mal 10kW Informationsverarbeitungseinrichtungen beschrieben. Die Energieversorgunsgeinrichtung 1 weist zumindest ein elektrisches Spichermodul 55 auf, welches an dem Netz 60 angeschlossen ist auf. Die Anzahl der Brennstoffzellenmodule ist abhängig von der Energie, die der Verbraucher benötigt.
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Es handelt sich um ein Single-Path AC Nano-Grids. Die zehn Brennstoffzellenmodule 40a-40j stellen die Versorgung dar. Zwei redundante kumuliert aufgebaute und parallel geschaltete Speichermodule 55a, 55b dienen zur Absicherung von dynamischen Laständerungen und Versorgungsausfällen.
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Die Speichermodule 55a, 55b sind als Umrichter-Speicher-Systeme ausgebildet. Sie weisen jeweils zumindest einen elektrischen Speicher 57 auf. Der Speicher 57 ist als Akkumulator und/oder als Kondensator ausgebildet. Die Speicher 57 sind insbesondere für die doppelte Leistung des Verbrauchers ausgelegt. Es ist somit möglich den Ausfall eine Speichermoduls 55a, 55b zu kompensieren. Die Verbaucher sind direkt an die gleiche Sammelschiene 60 angeschlossen. Es ergibt sich ein einfacher und kostengünstiger Aufbau der Netzstruktur. Nachteilig ist, dass sich Fehler (Kurzschlüsse) an der Anlage oder auf der Sammelschiene direkt an der Last (am Server) bemerkbar machen.
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In 6 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt. Insbesondere sind zehn Brennstoffzellenmodule 40a bis 40j ausgebildet. Ferner sind zehn redundante verteilt aufgebaute und parallel geschaltete Speichermodule 55, insbesondere Umrichter-Speicher-Systeme dienen zur Absicherung von dynamischen Laständerungen und Versorgungsausfällen ausgebildet. Ein Ausfall eines Speichermoduls 55 kann durch die anderen Speichermodule 55 kompensiert werden (z.B. durch Überlast). Damit muss lediglich die einfache Gesamtleistung der Last durch die Speicher abgedeckt werden und ist somit kostengünstig. Die VErbaucher sind direkt an die gleiche Sammelschiene angeschlossen.
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In 7 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt. Insbesondere sind zehn Brennstoffzellenmodule 40a bis 40j ausgebildet. Die Speichermodule 55 sind jeweils als Teil des Brennstoffzellenmoduls 40 integriert und dient zur Absicherung von dynamischen Laständerungen und Versorgungsausfällen. Ein Ausfall eines Speichers kann durch die anderen Speichermodule kompensiert werden (z.B. durch Überlast). Die Verbraucher sind direkt an die gleiche Sammelschiene angeschlossen.
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Single Path bedeutet nur einen von den Brennstoffzellenmodulen gemeinsam genutzen Pfad für die Phase und den einen von den Brennstoffzellenmodulen gemeinsam genutzen Pfad Nullleiter zwischen den Brennstoffzellenmodulen und dem Verbaucher. Das Netz 60 weist nur einen Pfad für die Phase und einen Pfad für den Nullleiter auf. Alle Brennstoffzellenmodule und alle Verbraucher sind an den Pfad bzw. das Netz 60 angeschlossen. Insbesondere sind die Brennstoffzellenmodule und die Verbraucher untereinandere und zueinander parallel miteinander verschaltet.
