Die Elektromobilität gibt die Richtung bei Preis und Umweltschutz vor Lithium-Ionen-Akkus in den USV-Anlagen der Datacenter

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Lithium-Ionen-Akkus finden immer noch eher selten Verwendung in USV-Anlagen. Die Vorbehalte sind zahlreich, halten aber einer näheren Analyse meist nicht stand.

Der im September veröffentlichte Beitrag „Das spricht für Lithium-Ionen-Batterien statt Blei-Batterien in USV-Anlagen“ auf dieser Plattform hat ein lebhaftes Echo unter den Lesern ausgelöst. Es wird unter anderem von den Kommentatoren bemängelt,

• dass die beiden Akku-Typen bezüglich kalendarischer Lebensdauer und Anzahl der Lade- und Entlade-Zyklen sowie der Kosten nicht fair verglichen werden,

• dass die angeführten Vorteile von Li-Ionen-Akkus gegenüber Blei-Säure-Akkus bezüglich geringerer Stellfläche und deutlich höherer Energiedichte in vielen Rechenzentrumsanwendungen zumindest nicht „spielentscheidend“ sind,

• dass die Brandgefahr bei Lithium-Ionen-Akkus eher heruntergespielt wird,

• dass die Wiederaufbereitung bei Li-Ionen-Akkus weitgehend ungelöst ist beziehungsweise hohe Kosten verursacht.

Im Folgenden sollen diese Punkte näher beleuchtet werden, wobei wir unter „Bleibatterien“ „ventilregulierte Blei-Säure-Batterien (englisch: valve regulated lead acid, VLRA) verstehen, die ein Bleidioxid für die Kathode, Blei für die Anode und als Elektrolyt Schwefelsäure verwenden. Lithium-Ionen-Akkus verwenden als Elektrolyt ein Lithium-Salz in einer organischen Lösung, ihre Kathode ist aus Metalloxid und die Anode aus porösem Kohlenstoffmaterial (Graphit).

Um die Li-Ionen-Batterien für bestimmte Zwecke zu optimieren, beispielsweise für maximale Energiedichte und Leistungsabgabezeiten (Autonomie) über mehrere Stunden, werden Materialien durch andere ersetzt und / oder Additive verwendet. Durch solche „Mixturen“ gibt es eine unendlich große Zahl verschiedener Lithium-Ionen-Batterien mit unterschiedlichen Eigenschaften und mit einer unterschiedlichen Kostenstruktur.

Oft werden die Batterien nach ihrem chemischen Hauptbestandteil unterteilt. Gängige Verbindungen sind Lithium-Kobalt-Oxid, Lithium-Mangan-Oxid, Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid, Lithium-Eisenphosphat, Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid und Lithium-Titanat.

Vergleich von Li-Ionen- und Blei-Säure-Akkus ist eine verzwickte Sache

Angesichts dieser Vielfalt ist ein Vergleich mit Blei-Säure-Akkus auf jeden Fall aufwendig. Jedenfalls kann man nicht einfach Lithium-Ionen-Akkus und Blei-Säure-Akkus im Allgemeinen gegenüberstellen. Noch einmal schwieriger mit den Preisvergleichen wird es, wenn man die Gesamtkosten (TCO) über zehn Jahre einer Investition vergleicht.

Die Kapitalkosten von Li-Ionen-Akkus sind gegenüber Blei-Säure-Akkus immer noch deutlich höher, bei den Betriebskosten ist es aber genau umgekehrt, freilich nur, wenn man beispielsweise annimmt, dass für Blei-Säure-Akkus ein erheblicher Wartungsaufwand anfällt und vor allem wenn man annimmt, dass innerhalb von zehn Jahren mindestens einmal der Blei-Säure-Akku ausgetauscht werden muss, der Lithium-Akku aber nicht.

Insgesamt stellt man bei solchen Gesamtkosten-Rechnungen fest, dass schon leichte Veränderungen bestimmter Einzelannahmen – wenn zum Beispiel die VRLA-Lösung weitgehend wartungsfrei ist oder zehn Jahre durchhält - die Gesamt-Rechnung deutlich verändern. Und wenn die Umweltgesetzgebung weltweit die Verwendung von Blei-Säure-Akkus mit zusätzlichen Umweltauflagen versieht oder gar verbietet, dann sieht die Rechnung wieder anders aus.

Mögliche Vorteile von Li-Ionen-Batterien und die Datacenter-Realität

Gerhard Klein, Abteilungsleiter Risiko-Management & Technical Due Diligence und Business Development Datacenter Services bei der TÜV SÜD Industrie Service GmbH in München hält strengere Umweltauflagen beim Einsatz von Blei in verschiedensten Anwendungen bis hin zum Verbot grundsätzlich für möglich. Das könnte dann auch Bleibatterien betreffen.

Andererseits stellt er aber auch fest: „Für Bleibatterien spricht nach wie vor, dass sie bereits heute in großen Stückzahlen produziert werden; des Weiteren sind aufgrund der vollautomatisierten Massenproduktion und der Vielzahl weltweit verfügbarer Hersteller die Preise für Abnehmer sehr attraktiv.“ Doch Klein sieht auch voraus, dass die zu erwartende starke Kostensenkung bei Lithium-Ionen-Batterien im Anwendungssegment USV diesen Vorteil künftig wettmacht.

Li-Ionen-Batterien haben ohne Frage eine längere Lebensdauer als Blei-Säure-Batterien – wie viel „länger“ ist, darüber lässt sich streiten – und sie haben auf jeden Fall eine sehr hohe Energie- und Leistungsdichte, so dass sie unter anderem viel weniger Platz im Rechenzentrum benötigen. Die Kompaktheit hat dann auch Auswirkungen auf Transport und Aufstellungskosten und Gebäudemiete und damit auf die Gesamtkosten (siehe oben).

„Diese Vorteile von Lithium-Ionen-Batterien scheinen aber im Moment für viele Anwender bei USV-Anwendungen eine nicht so wichtige Rolle zu spielen“, hat Gerhard Klein beobachtet. Und er stellt fest: „Packaging und Kühlung können bei Li-Ionen-Batterien - abhängig vom Zelltyp – zuweilen sehr aufwändig sein.“

Daher sei neben der Installation in einem eigenen Batterieraum die Lösung mit Batterie-Packages direkt im Rack eine Alternative, wie sie gerade im US-Markt von großen Cloud Service Providern bereits angewendet wird. „Bei einer Installation direkt im unteren Rack-Bereich des Kaltgangs eines IT-Raums wird das Thema der Kühlung dann weniger relevant“, erläutert der TÜV-SÜD-Spezialist.

Risiko-Management in Sachen Brandgefahr

Bei der zuletzt geschilderten Konstellation wird allerdings das Thema Brandgefahr besonders virulent. Gerhard Klein sagt dazu: „Das US-amerikanische Normierungsgremium IEEE berichtet über größere Unfälle, die zuletzt in Batteriespeichersystemen aufgetreten sind, wobei die Ursachen für die Überhitzung umstritten sind.“

Bei diesen Havarie-Fällen hätten sich auch brennbare Gase entwickelt, die bei Normalbetrieb nicht zu erwarten seien. Und Klein schränkt ein: „Die Erkenntnisse aus Großspeicheranlagen, über die wir hier gerade reden, sind nicht unbedingt auf USV-Anlagen in einem Rechenzentrum zu übertragen.“

Gleichwohl sei die fehlende inhärente Sicherheit von Li-Ionen-Batterien und damit einhergehend die Erfordernis eines Batterie-Management-Systems mit Einzelzellspannungsüberwachung ein Kostenfaktor, der beim Vergleich mit Blei-Säure-Akkus beachtet werden muss.

Beherrschbares Risiko

Auch nach der Zertifizierung VdS 3103:2019-06 der VdS Schadenverhütung GmbH, einer hundertprozentigen Tochter des Gesamtverband der Deutschen Versicherungswirtschaft, können risikogerecht ausgelegte Sprinkler- oder Sprühwasseranlagen zusammen mit einem ganzheitlichen Brandschutzkonzept und der Beachtung der baulichen und organisatorischen Randbedingungen einen wirksamen Schutz gewährleisten. „Wenn zudem die bereits verfügbaren Standards für die Qualifizierung von Li-Ionen-Batterien und für ihre Handhabung beachtet werden, dürfte das Risiko als beherrschbar sein“, meint Klein.

Überdies gibt es seit letztem Jahr mit der Ansaug-Raucherkennung FDA241 von Siemens eine Warnanlage für die frühzeitige Erkennung von Elektrolytdämpfen und Elektrobränden. Der Hersteller hat im Dezember 2019 als erstes und bisher einziges Unternehmen die VdS-Anerkennung für das Brandschutzkonzept für stationäre Lithium-Ionen-Batterie-Energiespeichersysteme erhalten.

Der Melder saugt über ein Rohrnetz kontinuierlich Luft durch Ansaugöffnungen an. Die Luft wird in eine trickreich aufgebaute Kammer geleitet, in der sehr kleine Rauchvorkommen durch Streulicht detektiert werden. Um die Aktivierung der Löschanlage auszulösen, sind nach der VdS-Norm zwei unabhängige Melder erforderlich. Diese kommunizieren direkt auf dem FDnet-Loop, so dass kein Bedarf an separaten Relais- und Netzwerkverbindungen besteht.

Elektromobilität als Trendsetter

Eine große Herausforderung ist sicher die Entsorgung, Wiederaufbereitung oder auch Wiederverwendung der Lithium-Ionen-Akkus. Da hat Stand heute vermutlich die halbwegs umweltgerechte Entsorgung der Blei-Säure-Akku noch die Nase vorn. Doch ist wahrscheinlich, dass mit dem zu erwartenden breiten Einsatz von Lithium-Ionen-Akkus in Elektrofahrzeugen aller Art in Fragen des Recyclings schnell große Fortschritte gemacht werden.

Eine interessante weitere Möglichkeit ist die Zweitverwendung von Lithium-Ionen-Batterien. Nichts ist ja im Grunde umweltfreundlicher als die Verlängerung der Stoffkreisläufe durch Gebrauchtmärkte. „Im Moment steht allerdings die technische Entwicklung von Standards für Second-Life Batterien noch am Anfang“, sagt Gerhard Klein vom TÜV SÜD.

Stromversorgung für Rechenzentren, eines der Themen auf dem DataCenter Day 2020

Das spricht für Lithium-Ionen- statt Bleibatterien in USV-Anlagen

Ohne in übergroßen Optimismus zu verfallen, kann man mit Fug und Recht sagen, dass Lithium-Ionen-Batterien auch in USV-Anlagen die Zukunft gehört. Die technischen Vorteile sind einfach zu eindeutig und auf mittlere Sicht werden auch diejenigen Punkte sich in Plus-Punkte verwandeln, bei denen viele heute noch Zweifel anmelden.

Batterietechnik im Datacenter

Eignen sich Lithium-Ionen-Batterien für USV-Anlagen in großen Rechenzentren?

Die Massenproduktion in der Elektromobilität wird auch für Komponenten, wie sie in Rechenzentren erforderlich sind, enorme Skaleneffekte auslösen, so dass auch der nackte Einstandspreis (ohne TCO-Überlegungen) in den nächsten Jahren dem von Blei-Säure-Batterien gleichkommt. Darüber hinaus werden weltweite Regelungen die Integration von Lithium-Ionen-Batterien in eine sinnvolle Kreislaufwirtschaft mit hoher Wahrscheinlichkeit stark fördern. Auch da dürfte die Elektromobilität der Trendsetter sein.

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