Lithium-Ionen-Batterie Wöhrle

Viele USV setzen noch auf Bleibatterien, allerdings greifen zunehmend mehr Hersteller auf Lithium-Ionen-Batterien zurück. (Bild: Wöhrle)

VRLA-Batterien (Valve Regulated Lead Acid, Bleibatterien) benötigen für einen optimalen Einsatz und Lebensdauer eine Umgebungstemperatur von 20 °C. Diese Temperatur zu halten oder herzustellen kann sich als Herausforderung darstellen. Für jede 10 °C über der Empfehlung verkürzt sich die Lebensdauer einer VRLA-Batterie um die Hälfte. Li-Ionen-Batterien reagieren auf Wärme oder Kälte nicht so empfindlich. Vor diesem Hintergrund wird diese Art Energiespeicher besonders für Rechenzentren interessant.

Die Ansprüche an die Umgebungstemperatur von LI-Ionen-Batterien sind bescheidener im Vergleich zu Bleiakkus. Erhöhte Temperaturen haben wesentlich geringere Folgen für die Lebensdauer eines Li-Ionen-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-Ionen-Batterien vor keine Herausforderungen, weshalb sie eine gute Alternative zu herkömmlichen VRLA-Batterien sind. Im Vergleich lässt sich eine Li-Ionen-Batterie ohne Kapazitätsverluste bei bis zu 20 °C höheren oder 30 °C niedrigeren Temperaturen einsetzen. Ein gewöhnliches Rechenzentrum arbeitet bei über 25 °C. Da auch eine USV-Anlage problemfrei bei bis zu 40 °C arbeitet, könnte dies in vielen europäischen Ländern (bei einer Lufttemperatur zwischen 20 – 22 °C) die Klimatisierung überflüssig machen. Allein dadurch kann ein Rechenzentrum seine Betriebskosten erheblich senken und reduziert durch den geringeren Stromverbrauch zugleich seinen CO2-Ausstoß.

Bild 2: Vergleich verschiedener Energiespeicher.
Bild 2: Vergleich verschiedener Energiespeicher. (Bild: Wöhrle)

Das sind die Vor- und Nachteile von Li-Ionen-Batterien in Rechenzentren

Bild 2: Lithium-Ionen Lösung WISUS-LI.
Bild 2: Lithium-Ionen Lösung WISUS-LI. (Bild: Wöhrle)

Platzersparnis ist ein weiterer Vorteil der Li-Ionen-Batterie. In den meisten Rechenzentren gibt es genug Platz, um Blei-Säure-Batterien problemlos unterzubringen. Beim Ausbau kann der Platz jedoch zur Mangelware werden. Allerdings benötigen Li-Ionen-Batterien ein Drittel des Volumens eines entsprechenden VRLA-Blocks und wiegen ein Viertel davon. Diese Platzeinsparung bieten kleinen, regionalen Edge-Rechenzentren einen entscheidenden Vorteil.

Warum ist man nicht schon längst auf diese Technologie 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-Ionen-Batterie auch heute noch teurer als eine Blei-Säure-Batterie, aber unter Berücksichtigung der doppelten Lebensdauer sowie der gesunkenen Energiekosten, rentiert sich die Investition wieder. Im Vergleich werden auch auf 10 Jahre ausgelegte Blei-Säure-Batterien alle 7 bis 8 Jahre ausgetauscht. Li-Ionen-Batterien dagegen sind auf 13-15 Jahre ausgelegt. Langfristig betrachtet lohnt sich das zu Beginn höhere Investment also.

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-Ionen-Batterien regelt die Norm IEC62619. Diese wurde speziell auf die Kontrollsysteme bei industriellen Batterien ausgelegt und wurde bereits vor über 2 Jahren eingeführt.

Li-Ionen-Batterien sind anfälliger, da bei hohen Temperaturen aufgrund von Überladung beim Ladevorgang Sauerstoff freigesetzt werden kann. Daher schreibt IEC62619 ein Batterie-Management-System (BMS) vor, welches 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. Wird dies ignoriert, verbindet das System einen Alarm der 2. Stufe mit einem Schutzschalter, um ein weiteres Laden oder Entladen der Zelle zu verhindern. Um die Anforderungen von IEC62619 zu erfüllen, müssen Hersteller eine solche doppelte Schutzstufe implementieren und auch testen.

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

Arten von Li-Ionen-Batterien

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

  • NCM (Nickel-Mangan-Cobalt)
  • LCO (Lithium-Cobaltoxid)
  • LMO (Lithium-Manganoxid)
  • LFP (Lithium-Eisenphospat)

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.

Ausblick: Lithium-Ionen-Batterien werden Blei-Batterien in USV-Anlagen ersetzen

Unternehmen werden künftig vermehrt auf USV-Anlagen setzen, die auf Lithium-Ionen-Batterien setzen. Als Grundlage muss jedoch eine Kompatibilität von USV-Anlage und Li-Ionen-Technologie dienen. Diese Kombinierbarkeit stellt Wöhrle mit sicher. Die Systeme von können mit dem Batterieüberwachungssystem von Lithium-Ionen-Batterien kommunizieren.

Wöhrle stimmt seine Lithium-Ionen Energiespeicher auf seine USV-Anlagen ab. Nur so kann eine harmonische Einheit gebildet werden. Unsere Konstruktion ermöglicht eine unkomplizierte Einbindung in gängige Industrie- oder IT-Racks. Eine für den Kunden angepasste Speicherlösung kann individuell an jedes Bedürfnis angepasst und konfiguriert werden, sodass am Ende eine individuelle, exakt auf den Kunden maßgeschneiderte Lösung entsteht.

Marco Alber

Marketing bei Wöhrle Stromversorgungssysteme

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