Mit Li-Ion-Technologie in die Zukunft Li-Ionen-Vorteile bauen die Hürden für Technikwechsel in den Datacenter-USVs ab

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Meist werden noch immer dieselben Blei-Säure- oder VRLA-Batterien als Notstromspeicher für die Unterbrechungsfreie Stromversorgung im Rechenzentrum verwendet. Diese funktionieren auch einwandfrei. Die bisher verwendeten Batterien erledigen ihre Aufgabe gut: Also warum über einen Wechsel nachdenken?

Viele UV-Anlagen der jüngsten Generation besitzen Wirkungsgrade von bis zu 97 Prozent und die Entwicklung schreitet weiter voran. Aber: Bei den Energiespeichern für USV-Anlagen hat sich im Gegensatz dazu jedoch in den vergangenen 30 Jahren kaum etwas geändert. Warum auch?

VRLA-Batterien (VRLA = valve-regulated lead-acid battery) benötigen für einen optimalen Einsatz und Lebensdauer eine Umgebungstemperatur von 20 Grad. Diese Temperatur zu halten oder herzustellen kann zu einer Herausforderung werden. Für jede 10 Grad über der Empfehlung verkürzt sich die Lebensdauer einer VRLA-Batterie um die Hälfte.

USV-Batterien

Wöhrle Stromversorgungssysteme mit Lithium-Batterien von Commeo

Li-Ion-Batterien reagieren auf Wärme oder Kälte nicht so empfindlich. Vor diesem Hintergrund wird diese Art Energiespeicher besonders für Rechenzentren interessant.

Verzicht auf Klimatisierung

Die Ansprüche an die Umgebungstemperatur von Li-Ion-Batterien sind bescheidener im Vergleich zu Blei-Akkus. Erhöhte Temperaturen haben wesentlich geringere Folgen für die Lebensdauer eines Li-Ion-Akkus. Wenn der Energiespeicher länger eingesetzt werden kann, hat dies Auswirkungen auf die Kostenstruktur.

Rechenzentren können beispielsweise ganz oder im verringerten Maße auf eine Klimatisierung verzichten. Dadurch sinkt nicht nur der Stromverbrauch, sondern auch die Kosten und zugleich der CO₂-Ausstoß.

Höhere Betriebstemperaturen stellen Li-Ion-Batterien vor keine Herausforderungen, weshalb sie eine gute Alternative zu herkömmlichen VRLA-Batterien sind. Im Vergleich kann eine Li-Ion-Batterie ohne Kapazitätsverluste bei bis zu 20 Grad höheren oder 30 Grad niedrigeren Temperaturen eingesetzt werden.

Ein gewöhnliches Rechenzentrum arbeitet bei über 25 Grad. Da auch eine USV-Anlage problemfrei bei bis zu 40°C arbeitet, könnte dies in vielen europäischen Ländern (bei einer Lufttemperatur zwischen 20 bis 22 Grad die Klimatisierung überflüssig machen. Allein dadurch kann ein Rechenzentrum seine Betriebskosten erheblich senken und reduziert durch den geringeren Stromverbrauch zugleich seinen CO₂-Ausstoß.

Platzersparnis durch Lithium Batterien

Platzersparnis ist ein weiterer Vorteil der Li-Ion-Batterie. Für die meisten Rechenzentren ist Platzmangel kein Problem, um Blei-Säure-Batterien problemlos unterzubringen. Beim Ausbau kann der Platz jedoch zur Mangelware werden.

Li-Ion-Batterien benötigen lediglich ein Drittel des Volumens eines entsprechenden VRLA-Blocks und wiegen nur ein Viertel davon. Diese Platzeinsparung bieten besonders kleinen, regionalen Edge-Rechenzentren einen entscheidenden Vorteil.

Aber sind Lithium-Ionen-Batterien nicht teuer?

Warum ist man nicht schon längst auf Li-Ion-Batterien gewechselt, wenn doch die Vorteile überwiegen? Bisher haben die hohen Anschaffungskosten gegen einen Wechsel gesprochen. Doch durch die Weiterentwicklung speziell in der Automobilbranche sind in den letzten Jahren die Preise deutlich gesunken.

Zwar ist die Anschaffung einer Li-Ion-Batterie auch heute noch teurer als eine Blei-Säure-Batterie. Werden jedoch die doppelte Lebensdauer als auch die gesunkenen Energiekosten berücksichtigt, rentiert sich die Investition wieder.

Im Vergleich werden auch auf zehn Jahre ausgelegte Blei-Säure-Batterien alle sieben bis acht Jahre ausgetauscht. Li-Ion-Batterien dagegen sind auf 13 bis 15 Jahre ausgelegt. Entgegen des zu Beginn höheren Investments lohnt sich der Wechsel auf lange Sicht betrachtet.

Ist die Li-Ion-Technologie auch sicher?

Neben den Anschaffungskosten sprachen in der Vergangenheit auch Sicherheitsbedenken gegen den Wechsel. Inzwischen ist die Technologie jedoch vorangeschritten.

Das Management und die Überprüfung der Li-Ion-Batterien wird mit der Norm IEC62619 abgedeckt. Diese wurde speziell auf die Kontrollsysteme bei industriellen Batterien ausgelegt und bereits vor über zwei Jahren eingeführt.

Bei hohen Temperaturen kann aufgrund von Überladung kann beim Ladevorgang von Li-Ion-Batterien Sauerstoff freigesetzt werden. Daher wird gemäß IEC62619 ein Batterie-Management-System (BMS) benötigt. Dieses verhindert, dass das organische Flüssigelektrolyt durch Über- oder Unterladung zu heiß wird.

Das BMS gibt eine Warnung aus, wenn der sichere Spannungsbereich überschritten wird, und die kompatible USV-Anlage kann daraufhin reagieren. Wenn dies ignoriert wird, wird ein Alarm der 2. Stufe mit einem Schutzschalter verbunden, um ein weiteres Laden oder Entladen der Zelle zu verhindern. Diese doppelte Schutzstufe muss implementiert und getestet werden, um die Anforderungen der Norm IEC62619 zu erfüllen.

Jede Batterie, auch Blei-Säure-Batterien, stellen eine potenzielle Gefahr dar. Der richtige Umgang minimalisiert das Risiko aber. Die aktuelle Li-Ion Technologie ist inzwischen so sicher, dass diese in Rechenzentren und andere Einrichtungen, die zu den kritischen Infrastrukturen zählen, eingesetzt werden.

Verschiedene Arten von Li-Ionen-Batterien

Li-Ion-Batterien gibt es in verschiedenen Arten von Materialien, die gebräuchlichsten sind:

• NCM

• LCO

• LMO

• LFP

Das verwendete Material muss in jedem Aggregatzustand eine hohe Stabilität aufweisen. Das sicherste und zuverlässigste ist LFP, da bei der Zersetzung von LFP kein Sauerstoff freigesetzt wird, welches die Explosionsgefahr drastisch senkt.

Dass für USV-Anlagen in naher Zukunft vermehrt auf Lithium-Ionen-Batterien gesetzt wird, steht außer Frage. Als Grundlage muss jedoch eine Kompatibilität von USV-Anlage und Li-Ionen-Technologie dienen. Diese Kombinierbarkeit stellt etwa die Wöhrle Stromversorgungssysteme GmbH sicher. Die Technologie kann mit dem Batterieüberwachungssystem von Lithium-Ionen-Batterien kommunizieren.

Anderswo bereits bewährt

Aktuell setzen vorrangig Entwicklungsländer wie Afrika oder der Nahe Osten auf Lithium-Ionen-Technologie bei USV-Systemen. Länder, in welchen das Hauptstromnetz weniger zuverlässig ist als in mitteleuropäischen Ländern. Durch ein unzuverlässiges Hauptstromnetz stehen Stromausfälle beinahe an der Tagesordnung. In diesen Fällen müssen USV-Systeme mehrmalig am Tag eingreifen, um eine unterbrechungsfreie Stromversorgung zu ermöglichen.

Der vermehrte Einsatz belastet den Notstromspeicher von Li-Ionen-Batterien nicht zusätzlich. Diese Art von Batterien bewältigen den stetigen Ein- und Ausschaltzyklus wesentlich besser als die VRLA-Technologie.

* Marco Alber arbeitet im Marketing der Wöhrle Stromversorgungssysteme GmbH.

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