Bild 1 Yuasa-Batterieschrank

(Bild: Yuasa)

| von Raphael Eckert

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

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.

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.

Eck-DATEN

Eine Lithium-Ionen-Lösung wie die LIM25H weist signifikante Vorteile gegenüber einer Flywheel-USV auf:

  • Geringer Energiebedarf: Die LIM25H bedarf keiner Versorgung zur Ladeerhaltung, während Schwungräder eine kontinuierliche Stromversorgung benötigen.
  • Geringere Wartungskosten: LIM25H-8 Module verfügen über ein integriertes Batterie-Management-System, das die Überwachung der Batterie mittels Fernwartung ermöglicht. Flywheel-Systeme hingegen besitzen bewegliche Teile, die durch Spezialisten regelmäßig gewartet und ausgetauscht werden müssen.
  • Breiter Autonomiebereich: Die LIM25H deckt einen Bereich von bis zu mehreren Stunden ab. Flywheel-Systeme bewegen sich in einem Autonomiebereich bis 30 Sekunden und knapp darüber.

Unterschiede bei Wartung und Ladung

Während Flywheel-Systeme aufgrund ihrer beweglichen Teile regelmäßig durch Spezialisten gewartet und gegebenenfalls ausgetauscht werden müssen, verfügen LIM25H-8-Module über ein integriertes Multilevel-BMS. Dieses ermöglicht die Überwachung der Batterie mittels Fernwartung, weshalb sich die Wartung der Module im Wesentlichen auf das Auslesen und Verwerten der Daten des BMS beschränkt.

Für eine Wiederaufladung benötigt das Speichermedium Zeit, die ins Verhältnis zur zuvor entnommen Ladung gesetzt werden muss. Ein Flywheel-System erreicht aufgrund der speziellen Technologie grundsätzlich innerhalb weniger Minuten wieder die volle Kapazität. Je nach Entladetiefe benötigt die LIM25H wenige Minuten bis wenige Stunden, um wieder 100 % der Kapazität bereitstellen zu können.

Die Anzahl der Lade-/Entladezyklen, die ein Speichermedium verkraftet, hängt prinzipiell zunächst von der Entladetiefe ab. Je mehr Ladung pro Zyklus entnommen wird, desto weniger Zyklen, gerechnet über die gesamte Gebrauchsdauer, wird eine Batterie zur Verfügung stellen und umgekehrt. Bei herkömmlichen Batterien findet immer auch eine elektrochemische Korrosion statt, die zu einer Verringerung der Kapazität führt. Bei einem Schwungrad treten solche Effekte nicht auf, deshalb ist es der ungekrönte Zyklenkönig. In der USV-Anwendung spielen jedoch Zyklen derzeit keine Rolle. Denn im normalen USV-Betrieb wird die Batterie nicht ständig ge-und entladen, sondern nur dann bemüht, wenn der Strom wirklich ausfällt. Die dann entnommene Ladungsmenge ist im Sinne eines Zyklus zu vernachlässigen.

Vergleich mit anderen Speichermedien

Die Lithium-Ionen-Lösung von Yuasa zeigt im Vergleich mit anderen Speichermedien einen Vorsprung bei Gewicht, Volumen und Kostenaufwand. So benötigt die LIM25H lediglich ein Zehntel des Gewichts einer VRLA-Batterie sowie ein Drittel des Gewichts eines entsprechenden Superkondensators, um eine Autonomie von 30 Sekunden zu erreichen. Bei höheren Autonomien baut sie diesen Gewichtsvorteil aus und erreicht bereits ab einer Autonomie von 30 Sekunden einen deutlichen Volumenvorteil gegenüber einem Superkondensator (Bild 6 und Bild 7).

In Bezug auf die Kosten der Speichermedien Lithium-Ionen-Batterie beziehungsweise Superkondensator ergibt sich bei zirka 30 Sekunden Autonomie eine ähnliche Situation. Die VRLA-Batterie wiederum scheint zwar bei steigender Autonomie das bessere Kosten-Nutzen-Verhältnis aufzuweisen (Bild 8). Jedoch lässt der schwache Anstieg der Lithium-Ionen-Kurve vermuten, dass bei Berücksichtigung der hohen Platzmieten, des Einsatzes von Klimatisierungs- und Belüftungstechnik sowie der Restriktionen hinsichtlich der Gebäudestatik die LIM25H bei der Betrachtung der Gesamtkosten einen Vorteil besitzt.

Einsatz von Lithium-Ionen-Modulen

Jeweils acht Stück der LIM25H-Zellen stecken in Batteriemodulen (LIM25H-8) mit einer Nennkapazität von 25 Ah und einer Nennspannung von 28,8 V. Diese Module lassen sich mit einem maximalen Strom von 600 A laden sowie entladen und erreichen im zyklischen Betrieb 11.000 Lade-/Entladezyklen. In Abhängigkeit von der Entladeleistung ergibt das Ladezeiten von unter 15 Minuten und Autonomien von wenigen Minuten bis zu mehreren Stunden. Das Modul kann bei einem Gewicht von 17,5 kg in einem Temperaturbereich von -20 °C bis +45 °C betrieben werden.

Ohne Anpassungsprobleme lassen sich die Module in entsprechenden Batterieschränken verbauen, da sie dem 19-Zoll-Industriestandard entsprechen. Solch ein komplettes USV-Batterie-System (Bild 1) ist mit 16 LIM25H-8 Modulen bestückt und wiegt als kompakter Schrank 490 kg. In dieser Ausstattung verfügt das System über eine Leistung von 235 kW. Bei Bedarf lässt es sich aber auch auf bis zu 20 Module erweitern. Dadurch erhöht sich die Leistung auf bis zu 290 kW.

Bei täglicher Entladung und einer vom Strom abhängigen Batterie-Ladezeit von weniger als 15 Minuten kalkuliert Yuasa eine Lebensdauer von 10 Jahren. Durch integrierte Schnittstellen wie RS232C, RS485/Modbus und CANBus 2.0b ist die Kommunikation zwischen dem USV-System und dem jeweiligen Equipment des Anwenders gewährleistet. Damit ist die Lösung von Yuasa ein Stand-Alone-Produkt, in das bereits die gesamte notwendige Steuerungselektronik verbaut ist.

 

Raphael Eckert

(Bild: Yuasa)
Group Sales Manager bei Yuasa Battery (Europe).

(ku)

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