Für den Einsatz in USV-Systemen bieten sich Lithium-Ionen-Zellen in prismatischer Bauform an. Yuasa nutzt  für ihre Zelle LIM25H (Bild 2) eine solche Bauform in einem Aluminiumgehäuse. Das erlaubt eine einfachere und kostengünstigere Konfektionierung von Modulen als bei jedem anderen Zelldesign. Zudem ermöglicht diese Bauform die optimale Ausnutzung des verfügbaren Raumes innerhalb des Moduls. Eine höhere Modul-Energie-Dichte als vergleichsweise beim Einsatz zylindrischer Zellen ist die Folge.

Darüber hinaus lässt sich durch die gegensätzlich gerichtete Polanordnung das Kurzschlussrisiko minimieren, und die Zellverbindung innerhalb des Moduls wird erleichtert. Während zylindrische Zellen mit beiden Polen auf einer Stirnseite ein sehr hohes Kurzschlussrisiko aufweisen, gibt es bei zylindrischen Zellen mit Plus und Minus auf je einer Stirnseite einen deutlich höheren Montageaufwand.

Tabelle: Vergleich der Lithium-Ionen-basierten Yuasa LIM25H mit der Flywheel-Technologie.

Tabelle: Vergleich der Lithium-Ionen-basierten Yuasa LIM25H mit der Flywheel-Technologie. Yuasa

Verglichen mit einer weiteren Bauform, der Pouch-Zelle, benötigt die prismatische Konstruktion keine zusätzlichen Einbaurahmen sowie weniger Schweißverbindungen, auch die Interzellverbindungen sind wesentlich leichter herzustellen. Jede LIM25H-Zelle verfügt darüber hinaus über einen integrierten BMS-Anschluss, und die Wärmeableitung wird durch das Aluminium-Gehäuse unterstützt (Bild 3).

Vergleich mit der Flywheel-Technik

In Modulen verbaut, überbrücken die Zellen von Yuasa sehr kurze Autonomien mit sehr hohen Entladeströmen. Der optimale Autonomiebereich eines Energiespeichers hängt von unterschiedlichen Faktoren wie Preis, Gewicht, Abmessungen, Leistung und Effizienz ab. Im Vergleich zur LIM25H (Bild 4 und Bild 5) ist das Autonomiefenster eines Schwungrads (Flywheel) mit 10 bis 60 Sekunden sehr klein (Tabelle). Eine technische und wirtschaftliche Alternative stellt hier die LIM25H mit bis zu 5 Minuten Autonomie dar, zumal sie auch den Bereich des Flywheels und sogar Autonomien oberhalb von 5 Minuten abdecken kann. Kostengünstiger ist allerdings immer noch eine VRLA-Batterie. Im Hinblick auf den Platzbedarf einer Anlage benötigt eine Flywheel-USV mit 100 kW eine Fläche von zirka 0,6 qm. Ein USV-System mit der LIM25H leistet im Vergleich 300 kW auf gerade einmal 0,5 qm. Mit der Lithium-Ionen-Lösung lässt sich also bei gegebener Fläche eine deutlich höhere Energiedichte erreichen.

Bildergalerie
Bild 2: Bei der Lithium-Ionen-Zelle LIM25H von Yuasa wird die Wärmeableitung durch ein Aluminium-Gehäuse untersützt.
Bild 3. Prinzipieller Aufbau einer Lithium-Ionen-Zelle von Yuasa.
Bild 4: Entwicklung von Strom, Ladezustand, Energie und Gesamtspannung bei einer Konstantleistungsentnahme von 22 kW über 1400 Sekunden.
Bild 5: Selbst bei einer sehr hohen Konstantleistungsentnahme von 151 kW über 170 Sekunden zeigt sich ein harmonischer Verlauf der Strom- sowie der Spannungskurve.
Bild 6: Um eine Autonomie von 30 Sekunden zu erreichen, benötigt die LIM25H nur ein Zehntel des Gewichts einer VRLA-Batterie und ein Drittel des Gewichts eines entsprechenden Superkondensators.
Bild 7: Bereits ab einer Autonomie von 30 Sekunden erreicht die LIM25H einen deutlichen Volumenvorteil gegenüber einem Superkondensator.
Bild 8: Die Kosten von Lithium-Ionen-Batterie und Superkondensator sind bei zirka 30 Sekunden Autonomie ähnlich hoch. Die VRLA-Batterie scheint bei steigender Autonomie das bessere Kosten-Nutzen-Verhältnis aufzuzeigen, bei den Gesamtkosten kann der Vorteil aber im Einzelfall auf Seiten der LIM25H liegen.

Auch in punkto Leistung, die durch die jeweilige Technologie abgerufen werden kann, ist die Lithium-Ionen-Lösung der Flywheel-Technologie klar überlegen: Das Leistungspotenzial der LIM25H übertrifft das der Flywheel-Technik um das zehnfache. Betrachtet man die Energieeffizienz, welche die Verluste der Speichertechnologie im Standby-Modus beschreibt, weist die LIM25H nahezu keine Verluste auf. Hingegen besitzt eine Flywheel-USV einen relativ hohen Stromverbrauch, bedingt durch die Versorgung des Vakuum-Systems und die Unterstützung der magnetischen Lagerung.

Ein Vergleich der Betriebstemperaturen beider Technologien zeigt, dass sich der Temperaturbereich, in dem ein Schwungrad betrieben werden kann, sehr großzügig gestaltet. Für die meisten Anwendungen dürfte jedoch der Temperaturbereich der LIM25H zwischen -20 °C und +45 °C problemlos ausreichen.

In punkto Betriebssicherheit schneiden beide Systeme sehr gut ab. Bei der Lithium-Ionen-Lösung überwachen Sensoren und Steuerungskreise des integrierten Batterie-Management-Systems (BMS) auf Modulebene den Ladezustand jeder einzelnen Zelle sowie des kompletten Moduls. Auf Systemebene kontrolliert ein übergeordnetes Master-BMS den Betrieb und steuert gleichzeitig die im Schrank integrierten MCCB (Moulded Case Circuit Breaker), um im Konfliktfall den Stromkreis zu unterbrechen.

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