Grundlagenwissen zur Stromversorgung in Rechenzentren, Teil 4 Batterien für Datacenter sind Sensibelchen

Autor / Redakteur: Bernd Dürr / Ulrike Ostler

Batterien sind in Anlagen für die unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) die gängigste Art der Energiespeicherung und die derzeit einzige Form, um Überbrückungszeiten von über einer Minute sinnvoll und wirtschaftlich zu realisieren. Doch sie können schwächeln.

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Unterscheidet sich erheblich von einer üblichen Haushaltsbatterie: Batteriegestelle in dem der IT getrenntem Raum.
Unterscheidet sich erheblich von einer üblichen Haushaltsbatterie: Batteriegestelle in dem der IT getrenntem Raum.
(Bild: Hawker GmbH/verlag Bau und Technik)

Batterien gelten für die Betriebssicherheit und Verfügbarkeit als das wichtigste und entscheidende Element einer USV. Außerdem sprechen eine hohe Modularisierung, und die weite Verbreitung für Batterien als Speichermedien sprechen. Allerdings sind sie in ihrer elektrochemischen Arbeitsweise sind sie im Vergleich zum Schwungrad fehleranfälliger und hinsichtlich ihrer Betriebsbedingungen anspruchsvoller.

Nur in engen Grenzen der Umgebungstemperaturen wird die optimale Gebrauchsdauer erreicht. Auch die Entlade- und Auflade-Kennlinien sind für die Lebensdauer und Betriebssicherheit mitentscheidend. In USV-Systemen werden überwiegend wartungsfreie, verschlossene Bleisäurebatterien, geschlossene Bleisäurebatterien (häufig auch offen oder flüssig genannt) oder NiCd-Batterien eingesetzt.

Batterien haben eine Selbstentladung,. Somit müssen Batterien zwangsläufig ständig mit Spannung geladen werden. Diese dauerhafte Kompensationsladung nennt man auch Erhaltungsladung und sollte möglichst schonend für die Batterie sein.

Die unterschätzte Größe Starkladung

Die Erhaltungsladung wird mit einer Spannung von 2,23 Volt bis 2,30 Volt pro Zelle ausgeführt. Im Gegensatz dazu gibt es die Starkladung, welche die Aufladung nach einem Gebrauch beschleunigt. Die Starkladung erfolgt mit einer Spannung von 2,35 Volt bis 2,40 Volt pro Zelle.

Und genau diese Starkladung wird bei der Leistungsdimensionierung für eine USV-Anlage meist unterschätzt, da die Leistungsaufnahme bei Starkladung die Gesamtaufnahmeleistung einer USV-Anlage stark ansteigen lassen kann. Dies ist nicht nur bei der Dimensionierung der elektrotechnischen Anlage relevant, sondern insbesondere bei der Dimensionierung der Netzersatzanlage, die schnell zu klein dimensioniert wird.

Starkladeunterdrückungen bei Netzersatzbetrieb können eine Lösung sein, wobei man sich für den Fall Gedanken machen muss, wenn der Netzersatzbetrieb über einen langen Zeitraum anhält und die Batterien in dieser Zeit nur eine Erhaltungsladung erfahren.

Belüftung und Laden

Beim Ladevorgang selbst wird Wasser im Elektrolyt zersetzt. Es entsteht Sauerstoff und Wasserstoff, der als Gas entweicht. Der Wasserstoff bildet mit dem Sauerstoff oberhalb einer Konzentration von vier Prozent eine explosionsfähige Mischung, das so genannte Knallgas. Dieses kann sehr gefährlich werden.

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Die einschlägigen Vorschriften besagen, dass über geeignete Maßnahmen verhindert werden muss, dass die kritische Wasserstoffkonzentration von vier Prozent überschritten wird. Dies erfolgt in der Regel über separate, direkt ins Freie führende Be- und Entlüftungsanlagen, auch Sonderfortluftanlagen genannt. Die Verordnung über den Bau von Betriebsräumen für elektrische Anlagen (EltBauVO) ist zu beachten.

In der Batterie selbst muss das zersetzte und somit fehlende Wasser nachgefüllt werden. Die Alternative sind verschlossene Typen, die bezüglich des Nachfüllens von Wasser wartungsfrei sind.

Das Gruselkabinett der Korrosion

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Mit der Befüllung der Batterie beginnt bereits die Korrosion an den positiven Bauteilen. Dabei haben die Korrosionsprodukte ein größeres Volumen als die Ausgangsprodukte.

Bedingt durch diese Volumenerhöhung erfährt die positive Elektrode über die Jahre ein Wachstum. Die Folge ist, dass sich der Pol hebt und die Elektroden sich biegen. Die dadurch entstehenden möglichen Kontaktprobleme können eine Vielzahl an Fehlern (siehe Gruselkabinett:: Abbildung 6ff) verursachen:

  • der Leitungsweg schmilzt
  • die Masse hat keinen Kontakt mehr, dadurch Ausfall der Batterie
  • die Masse oder Gitterteile fallen durch Feinschlüsse ab
  • die Säure läuft aus
  • Kriechströme
  • erhöhte Verbinderwiderstände
  • Gefäßrisse durch Druck auf das Gehäuse

Die Lösung sind so genannte Sicherheitspole, an denen die Plattenkorrosion die Pole nach oben schiebt (siehe: Abbildung 2)

Geschlossen oder verschlossen?

Oft gibt es auch Verwirrung über die Bezeichnungen geschlossene und verschlossene Batterien (siehe: Abbildung 3). Bei geschlossenen Bleibatterien wird an den Elektroden Sauerstoff oder Wasserstoff gebildet, der direkt in die Umgebung abgegeben wird. Sie gelten als wartungsarm.

Bei verschlossenen Bleibatterien hingegen wandert der Sauerstoff, der an der positiven Elektrode entsteht, zur negativen Elektrode und rekombiniert dort zu Wasser zurück. Dadurch entsteht nur noch wenig Wasserstoff. Verschlossene Batterien gelten als wartungsfrei.

Bei der Batterielebensdauer gibt es im USV-Bereich zwei Hauptarten von Batterien, welche sich auch in den Anschaffungskosten niederschlagen: Die 5-Jahres- und die 10-Jahres-Batterien nach der Association of European Automotive and Industrial Battery Manufacturers (Eurobat).

Die Lebensfähigkeit von Batterien

Hinter dieser Bezeichnung steckt eine eine europäische Organisation aus 34 Mitgliedsfirmen, welche die Interessen der europäischen Batterieindustrie gegenüber Institutionen, nationalen und internationalen Behörden, Kunden und den Medien vertritt. Zudem unterstützt sie bei der Weiterentwicklung von Batterien die Industrie. Bei der Lebensdauernennung nach Eurobat handelt es sich um einen theoretischen Wert, der nur unter idealsten Bedingungen im Labor bei konstanten 20 Grad Celsius erreicht werden kann.

Die Praxis sieht jedoch oft anders aus. Auch bei sehr guten Bedingungen zeigt sich, dass es sinnvoll sein kann, 5-Jahres-Batterien bereits nach spätestens drei Jahren und 10-Jahres-Batterien bereits nach spätestens sieben Jahren komplett zu erneuern. Für höhere Anforderungen stehen weitere Batteriesysteme zur Verfügung, deren reale Gebrauchsdauer bei zehn Jahren oder deutlich darüber liegt.

Batterien sind außerhalb gewisser Grenzen temperatursensibel. Im typischen Anwendungsbereich zwischen 10 und 30 Grad Celsius hat die Temperatur durchaus Einfluss auf die Lebensdauer. Dabei gilt: Tiefe Temperaturen reduzieren die entnehmbare Kapazität. Dieser Effekt ist umso ausgeprägter, je kürzer die Entladezeit ist.

Wohlfühltemepratur für Batterien

Die ideale Umgebungstemperatur liegt bei 20 Grad. Eine dauerhafte Temperatur von 30 Grad hingegen halbiert bereits die Lebensdauer der Batterie. So sind 10-Jahres-Batterien bei einer Umgebungstemperatur bei 30Grad nur fünf Jahre verwendbar, bei 40 Grad sogar nur zweieinhalb Jahre.

Das Ende der Gebrauchsdauer einer Bleibatterie ist erreicht, wenn die Kapazität für die projektierte Last auf 80 Prozent abgefallen ist. Das heißt im Umkehrschluss, dass die Dimensionierung der Batterien auf 125 Prozent der benötigten Kapazität festgelegt werden muss.

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Ein strittiges Thema mit Herstellern von USV-Anlagen ist in diesem Zusammenhang auch oft die an den USV-Anlagen angezeigte Überbrückungs- oder Autonomiezeit. Die angezeigte Zeit bei Netzbetrieb kann dabei nur der errechnete Wert sein, und nicht, wie vielfach behauptet, der Tatsächliche.

Falsch oder richtig berechnet? Die Autonomiezeit

Die Autonomiezeit bei 100 Prozent Last wird in den USV-Systemen programmiert und aus der aktuellen Last (meist kleiner 100 Prozent) die Gesamtautonomiezeit errechnet. Dabei gilt ganz grob, dass bei 50 Prozent Last die doppelte Autonomiezeit vorhanden ist. Diese Formel hinkt zwar ein bisschen, da die Verluste auch berücksichtigt werden müssen, sie ist jedoch ein ganz guter Anhaltswert.

Das große Aber

Doch jetzt kommt das große „aber“; denn eine Batterie ist und bleibt ein chemisches Element und ist neben dem Kraftstoff für die Netzersatzanlagen eine weitere mehr oder weniger große Unbekannte in der Versorgungssicherheit. Insbesondere immer dann, wenn die Batterien nicht gewartet werden, sie ungünstigen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind und von den USV-Anlagen nicht mit entsprechenden batterieschonenden Lade- und Entladezyklen versorgt werden.

Die Autonomiezeit kann sich bei Netzausfall und reiner Lastabnahme aus der Batterie sehr schnell nach unten korrigieren, da sie im Wesentlichen von der tatsächlichen Kapazität der Batterie abhängt. Je älter dabei die Batterien, desto mehr kann der Wert vom angezeigten Wert im Netzbetrieb abweichen. Die tatsächliche Autonomiezeit wird also nur angezeigt, wenn die Spannungsversorgung der USV-Anlage unterbrochen ist und die USV-Last aus der Batterie entnommen wird, auch wenn diverse USV-Anlagen-Hersteller Anderes behaupten.

Die Wartung von Batterien

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Um die Betriebssicherheit nicht dem Zufall zu überlassen, müssen neben den USV-Anlagen hauptsächlich auch die Batterien regelmäßig gewartet werden. Bei der Wartung von Batterien sind zunächst wichtige Sicherheitsregeln zu beachten, um möglichen Gefahren und Unfällen vorzubeugen:

  • Schutzbrille und Schutzkleidung tragen
  • Unfallverhütungsvorschriften beachten
  • Rauchen verboten! Von offenen Flammen und Funken fernhalten, da ansonsten
  • xplosions- und Brandgefahr besteht
  • aufgrund des großen Gewichts auf sichere Aufstellung und geeignete Transporteinrichtungen achten
  • gefährliche Spannungen von über 60 V sind zu erwarten
  • Kurzschlüsse vermeiden; keine metallischen Gegenstände oder Werkzeuge auf den
  • Batterien ablegen (Batterien stehen immer unter Spannung)
  • Elektrolyt ist stark ätzend
  • Säurespritzer im Auge oder auf der Haut mit viel klarem Wasser aus- oder abspülen. Unverzüglich einen Arzt aufsuchen. Verunreinigte Kleidung mit Wasser auswaschen.

Die Prüfung - per Sichtung und durch Messen

Die Prüfungen finden in der Regel alle sechs Monate oder einmal jährlich statt. Neben den notwendigen Reinigungsarbeiten und den Sichtkontrollen auf ungewöhnliche Veränderungen, Verfärbungen und Säurestand sind auch Messarbeiten durchzuführen.

Diese sind neben der Messung der Gesamtspannung die Spannung an den einzelnen Zellen, die mittlere Zelltemperatur und die Säuredichte, falls es sich um geschlossene Batterien handelt. Zur Sichtkontrolle gehören ebenfalls die Pole auf Ausblühungen und das Gefäß selbst auf Risse, Verfärbungen, Sauberkeit und Säurespuren zu überprüfen. Die Sicht- und Messergebnisse sind zwingend zu protokollieren und mit früheren Werten zu vergleichen.

Wartungsschritte:

  • 1. Reinigung
  • 2. Sichtprüfung
  • 3. Funktionsprüfung der Einzelgeräte mit Kontrolle der Kennlinien
  • 4. Überprüfung der Messgeräte
  • 5. Kontrolle der spezifischen Messwerte einzelner Bauteile
  • 6. Funktionsprüfung
  • 7. Vorführung der funktionstüchtigen Anlage
  • 8. Erstellung eines Wartungsprotokolls

Wartungsfreie Batterien (verschlossene Batterien) benötigen bei bestimmungsgemäßen Betriebsbedingungen während der Brauchbarkeitsdauer oder einer spezifizierten Zeitdauer kein Nachfüllen von Wasser oder Elektrolyt (DIN 40739, Punkt 4.9). Bei wartungsarmen Batterien (geschlossene Batterien) ist Wasser oder Elektrolyt nachzufüllen.

Es empfiehlt sich immer, das Nachfüllmedium vom Hersteller der Batterien zu beziehen. Das Verwenden von destilliertem Wasser, wie bei Autobatterien üblich, wird hier nicht empfohlen; es kann zu Ausfällen der Batterien führen.

Wartungsparameter (visuell):

  • Elektrolyt: Füllhöhe, Farbe, Gasung
  • Elektroden: Farbe, Zustand, Abschieferungen, Schlamm
  • Kopfblei: Abschieferungen, Farbe
  • Verbinder / Pole: Ausblühungen, Temperaturverfärbungen, Undichtigkeit
  • Gefäß: Risse, Verfärbungen, Sauberkeit, Säurespuren

Wartungsparameter (Messung):

  • Spannung
  • Strom (nur, wenn Entladung erfolgt)
  • Temperatur im Raum und in bzw. an der Batterie
  • Impedanz (Widerstand

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