Batterietechnik für Rechenzentren NiZn-Akkus für die UPS-Power im Datacenter

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Die meisten Rechenzentren arbeiten heute mit Unterbrechungsfreier Stromversorgung (USV), die Blei- oder Lithium-Batterien besitzen. Beide Technologien haben Nachteile. Nun bringt sich mit Nickel-Zink eine neue Technologie ins Gespräch.

Das US-amerikanische Marktforschungsunternehmen Arizton beziffert den weltweiten Markt 2021 für Uninterruptable Power Supply (UPS) auf 5,6 Milliarden Dollar. Es prognostiziert bis 2027 ein jährliches Wachstum von 6,11 Prozent und ein Volumen von 8,02 Milliarden Dollar im Jahr 2027.

Laut einer Studie von Frost & Sullivan im Auftrag von Huawei hatten Lithium-Batterien am UPS-Markt für Rechenzentren 2020 einen Anteil von 15 Prozent. Bis 2025 soll der Anteil nach dieser Studie auf 38,5 Prozent ansteigen. Der überwiegende Rest entfällt auf verschiedene Typen von Blei-Säure-Akkus.

Blei: bewährt, aber problematisch

Durch geschlossene Blei-Akkumulatoren (VRLA, Valve-regulated lead-acid-battery) haben einige der Umwelt- und Wartungsprobleme dieses Batterietyps an Brisanz verloren. So lassen sich VRLA-Batterien auch in Seitenlage betreiben und es muss kein Wasser nachgefüllt werden. Es kann keine Säure mehr auslaufen.

Doch ergeben sich neue Risiken. Denn VRLA erfordert angepasste Ladeverfahren, weil Überladen zu Ausgasungen durch das vorhandene Überdruckventil führt. So verlieren die Batterien unter solchen Umständen Flüssigkeit und trocknen mit der Zeit aus. Werden sie mit zu hoher Spannung geladen, können sie überhitzen und gehen dann kaputt.

Bei Blei-Gel-Akkumulatoren bindet Kieselsäure den flüssigen Elektrolyten, was ebenfalls Handhabungsprobleme beseitigt. Allerdings liefern sie weniger hohe Ströme. Das ist nicht optimal für Rechenzentren.

Lithium: besser als Blei

Lithium hat gegenüber Blei diverse Vorteile: Lithiumbatterien brauchen weniger Platz, halten länger, sind einfacher zu warten, sind stabiler und erzeugen weniger negative Umwelteinflüsse. Nichtsdestotrotz ist der Lithium-Abbau mit Umweltbeeinträchtigungen verbunden. Insbesondere dann, wenn der Stoff wie beispielsweise in Chile, einem der Hauptfundorte, durch Wasserverdunstung im Freien immer weiter aufkonzentriert wird.

Eine neue Idee ist, das Material aus für Geothermie benutztem Tiefenwasser zu extrahieren, worin es oft konzentriert vorliegt. Doch bislang hat sich diese Technologie noch nicht durchgesetzt beziehungsweise befindet sie sich noch in der Erprobung.

Bislang zu wenig Lithium-Recycling

Recycling-Kreisläufe für Lithium sind noch unterentwickelt. Derzeit gibt es Pilotversuche, bei denen Lithiumbatterien aus Fahrzeugen anschließend für die Nutzung in UPS-Systemen für Rechenzentren einen zweiten Nutzungszyklus durchlaufen.

Das wird aber beispielsweise dadurch erschwert, dass jeder Fahrzeughersteller eigene Batterietypen kreiert, so dass die Batterien unterschiedlicher Hersteller schwierig miteinander zu kombinieren sein dürften. Dazu kommt die Brandgefahr.

Nickel-Zink-Technologie: leichter, stärker, umweltfreundlicher

Inzwischen zeigen sich aber Alternativen. Eine von ihnen ist ein Batterietyp, der die Elektroden Nickel und Zink kombiniert. Die Reaktionsgleichung liefert an der Kathode 0,49 Volt, an der Anode 1,24 Volt. Dabei besteht die Anode aus Zink, einem weit verbreiteten und günstigen Material.

Die Kathode, Nickel-Oxyhydroxid, (2NiOOH) liefert zwei freie Elektronen und damit eins mehr als Lithium. Die verwendete Flüssigkeit zwischen den Polen ist Wasser, das heißt, die Batterien sind nicht brennbar.

Es gibt die Technologie schon seit 1901, als sie von Alva Edison entwickelt wurde. In den 90er Jahren des 20. Jahrhunderts beseitigte der gebürtige Pole Morris Eisenberg an der Standford-Umiversität wesentliche technische Probleme des Batterietyps, die eine relativ kurze Lebensdauer verursachten. Allerdings starb er und konnte die Technologie nicht zum wirtschaftlichen Erfolg führen.

Als Alternative fürs Rechenzentrum

Die Firma Powergenix übernahm 2003 das Wissen, das hinter den NiZn-Batterien steht und brachte darauf basierende Akkus bis 2008 zur Marktreife. Dann wurde sie von https://www.zincfive.com/Zincfive übernommen. Dieser Hersteller war bis dahin bekannt für effektive Batterie-Management-Systeme.

Nun bemüht sich Zincfive, den Rechenzentrumsmarkt für NiZn-Batterien zu erschließen. Denn die technischen Vorteile sind erheblich: Die Akkus brauchen keine Temperaturkontrolle, sind weniger ladesensibel und brauchen keinen strukturellen Unfallschutz, da sie nicht explodieren oder brennen.

Sie haben massenspezifische Leistungsdichten von 3 Kilopwatt pro Kilogramm (kW/kg) und massespezifische Energiedichten von 70 Wh/kg sowie einen Wirkungsgrad von 85 bis 90 Prozent. NiZn-Akkus sind kälteresistent und entladen sich kaum selbst, nach drei Monaten enthalten sie noch immer 80 Prozent der anfänglich gespeicherten Energie.

Platz sparen bei mehr Leistung

Die Spalten zwischen den Elektroden dürfen bei NiZn schmaler sein: um ein Drittel gegenüber Lithium, um 62 Prozent gegenüber bei Blei-Akkus. Im Vergleich zu Bleiakkus reklamiert Zincfive für seine NiZn-Akkus 42 bis 63 Prozent reduzierten Platzbedarf.

Dazu kommen 55 bis 60 Prozent weniger Gewicht, 110 bis 197 Prozent größere Leistungsdichte pro Gewicht und 81 bis 194 Prozent höhere Leistungsdichte pro Fläche. Mehr Leistung steht also schneller zur Verfügung.

Robustere Batteriebänke

Macht eine Batteriezelle in einem Batterie-String (mehreren in Reihe geschalteten Batterien) schlapp, führt das bei Blei- und Lithium-Akkus zum Ausfall oder zur massiven Leistungsverringerung des gesamten String. NiZn-Akkus bleiben dagegen auch in nicht mehr leistungsfähigem Zustand immerhin leitfähig, so dass die Leistung der restlichen Batterien im String weiter verfügbar ist.

Die alkalische Chemie der Batterien verlängert ihre Lebensdauer. Gefährliche Stoffe sind nicht enthalten, so dass sich die Batterien mit weniger Aufwand zum Einsatzort transportieren lassen. Auch die Handhabung vor Ort ist unkomplizierter.

Grundmaterialien sind in Reinform rezyklierbar

Außerdem lässt sich dieser Batterietyp leichter rezyklieren. Nickel und Zink sind in Reinform wiederzugewinnen. Da Unternehmen, unter anderem auch Rechenzentren, in Zukunft sich zunehmend auch die Kohlendioxid-Emissionen ihrer Lieferanten zurechnen lassen müssen, verbessert die Nutzung von NiZn-Batterien unter anderem durch mehrere Nutzungszyklen der Rohstoffe mittelbar ihre Kohlendioxid-Bilanz.

Das Unternehmen Zincfive wird geführt von Tim Hysell, der das auf NiZn-Batterien basierende UPS-Produkt „Upstealth“ von Millennium Power Solutions mit zu Zincfive brachte. Er bringt Erfahrung unter anderem von General Electric und Hewlett Packard mit.

Zincfive-Produkte

Upstealth ist einUSV-System speziell für den Transportbereich, etwa für intelligente Signal- und intelligente Transportsysteme. Für den Datacenter-Bereich gedacht sind die Batterieschränke der „BC“-Serie für die Befüllung mit NiZn-Batterien. Weiter gibt es NiZn-Blockbatterien und einen zylindrisch geformten Batterietyp.

Die Technologie steht noch vor ihrer breiten Durchsetzung. Die ersten Kunden waren Städte und andere Gebietskörperschaften in den USA, die damit ihre Verkehrssteuerungssysteme ausstatteten. Doch auch einige Rechenzentren konnte Zincfive schon für sich gewinnen.

Ein Beispiel aus Wyoming mit Flüssigkühlung und Solarfarmen

DC-Standorte: Wilde Berge statt Straßenschluchten

Rechenzentren mit NiZn-Akkus

Ein Beispiel ist das Kohlenstoff-neutral geplante Datacenter-Vorhaben Wyoming Hyperscale White Box. Kürzlich gab das Unternehmen bekannt, dass sich auch der Rechenzentrumsbetrieber Corscale bei seinem neuen Campus in Nord-Virginia auf NiZn-Akkus stützen will. Deutsche Partner und Kunden sind noch unbekannt.

Das Unternehmen ist gut finanziert, 2022 wurde die vierte Finanzierungsrunde (Round D) mit 75 Millionen Dollar abgeschlossen. Derzeit ist der Hersteller mit der lieferbereiten Technologie augenscheinlich mehr oder weniger konkurrenzlos.

Doch die Entwicklung geht weiter: Derzeit beschäftigt sich das kalifornische Unternehmen Enzink mit der Technologie. Ziel ist, die Zyklenfestigkeit der NiZN-Batterien durch eine poröse monolithische 3D-Anode weiter zu verbessern.

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