24.10.2017 Welches Batteriesystem hat die Nase vorn?

Speicher: Lithium gehört die Zukunft

Von: Christian Stolte

USV-Anlagen sind aus modernen Rechenzentren nicht mehr wegzudenken. Doch die zugehörigen Batteriesysteme sind sperrig, schwer und kurzlebig. Zuletzt wurde jedoch eine Speichertechnologie zur Marktreife gebracht, die eine Alternative darstellen kann...

Derzeit wird Lithium vor ­allem aus dem Salar de Atacama in Chile gewonnen.

Lithiumsalze kommen verbreitet auch in Salzseen vor. Derzeit wird Lithium vor ­allem aus dem Salar de Atacama in Chile (Foto) gewonnen, der mit 0,16 Prozent mit den höchsten bekannten Lithiumgehalt aufweist.

Geringes Volumen, minimiertes Gewicht, lange Lebensdauer, hohe Wärmebeständigkeit, reduzierter Klimatisierungsbedarf: Dies sind die Vorteile von Lithium-Ionen-Batterien. Nicht umsonst werden sie in der Automobilindustrie – Stichwort Elektromobilität – als Schlüsseltechnologie angesehen. Auch in Smartphones, Tablets oder Notebooks sind sie heute Standard. In den USV-Anlagen deutscher Rechenzentren jedoch hat sich diese Entwicklung bisher kaum niedergeschlagen. Hier dominieren nach wie vor ventilgeregelte Bleisäurebatterien (VRLA). Die Skepsis gegenüber den zeitgemäßeren Lithium-Ionen-Batterien gründet vor allem in Kosten- und Sicherheitsbedenken. Das enorme Potential der Energiepakete wird dabei leicht übersehen.

Das silberweiße ­Lithium ist das leichteste Metall der Erde und nach Wasserstoff und Helium das drittleichteste Element im Periodensystem. Zudem besitzt es von allen Elementen das größte negative Standardpoten­tial, weshalb mit seiner Hilfe sehr hohe Spannungen erzeugt werden können. Lithium-Ionen-Batterien haben dadurch eine besonders hohe Energiedichte, von der wiederum Gewicht und Volumen eines Energiespeichers maßgeblich abhängen. Was das bedeutet, zeigt ein Vergleich mit herkömmlichen USV-Batterien.

Ein VRLA-Batteriesystem mit einer Autonomiezeit von zehn Minuten und einer Leistung von 1,6 MVA (4 x 400 kVA) kommt auf eine Stellfläche von 50,4 m2 und ein Gewicht von 18 Tonnen. Ein vergleichbares Lithium-Ionen-Batteriesystem hingegen nimmt eine Fläche von 17,4 m2 und hat ein Gewicht von 4,4 Tonnen ein. Es kommt also mit einem Drittel der üblichen Stellfläche aus und weist nur ein Viertel des Gewichts von VLRA-Systemen auf. Je nach Modell, Technologie und chemischer Zusammensetzung variieren diese Werte, der Vorteil aber bleibt: Lithium-Ionen-Batterien benötigen generell nur 25 bis 50 Prozent der üblichen Stellfläche und wiegen 60 bis 80 Prozent weniger als Bleisäurebatterien. Wo der Ausbau der Server-Fläche und damit der Rechenleistung bisher durch Platzmangel, Nutzungsbeschränkungen oder aufgrund der Gebäudestatik behindert wurde, eröffnen sich so neue Möglichkeiten.

Lebensdauer von über zehn Jahren


Darüber hinaus besitzen Lithium-Ionen-Batterien eine lange Lebensdauer. Für USV-Systeme konzipierte Lithium-Ionen-Batterien tolerieren im Normalfall etwa 1.000 Lade- und Entladezyklen und erreichen damit eine voraussichtliche Lebenserwartung von mehr als zehn Jahren. Bleisäurebatterien hingegen überstehen lediglich 200 bis 400 Zyklen, selbst hochwertigste Ausführungen müssen nach fünf bis sechs Jahren ausgetauscht werden. In den durchschnittlich zehn bis 15 Betriebsjahren eines USV-Systems müssen Bleisäurebatterien also zwei- bis dreimal, Lithium-Ionen-Batterien maximal einmal und womöglich sogar überhaupt nicht ausgetauscht werden. Um temperaturbedingte Alterungsprozesse einzudämmen, muss zudem die Raumtemperatur von VRLA-Systemen in der Regel auf 20 °C bis 25 °C gekühlt werden. Lithium-Ionen-Batterien dagegen reagieren weniger anfällig auf Temperaturschwankungen oder gelegentliche Temperaturspitzen. Selbst bei hohen Temperaturen bis zu 40 °C wird die Lebensdauer dieser Batterien nur geringfügig beeinflusst. Ein entsprechendes Kühlsystem ist damit hinfällig oder kann durch ein kleineres ersetzt werden.

Doch können diese Vorteile die Sicherheits- und Kostenbedenken gegenüber der Lithium-Ionen-Technologie aufwiegen? Tatsächlich ist der Kaufpreis für ein Lithium-Ionen-System derzeit etwa eineinhalb- bis dreimal so hoch wie der Preis für ein vergleichbares VRLA-System. Raumgewinn, Langlebigkeit und ge­ringer Klimatisierungsbedarf wirken sich jedoch positiv auf die Betriebskosten aus. Über einen Zeitraum von zehn bis 15 Jahren können die Gesamtkosten eines Lithium-Ionen-Systems daher sogar geringer ausfallen als die eines VRLA-Systems. Und das Thema Sicherheit? Lithium-Ionen-Batterien reagieren empfindlich auf Überladung, Kurzschlüsse sowie unsachgemäßes Laden und Entladen. Welche Folgen das haben kann, hat sich bei manchen Mobiltelefonen gezeigt. Lithium-Ionen-Batterien für USV-Systeme werden jedoch in ­aller Regel serienmäßig mit einem intelligenten Batteriemanagementsystem (BMS) ausgerüstet. Dieses überwacht und steuert die Zelltemperatur, den Ladezustand sowie den Ladestrom und schützt die Batterien vor Kurzschlüssen und Überladungen. Auch auf Zellebene werden die Batterien ständig weiterentwickelt, etwa hinsichtlich robusterer Materialien oder der chemischen Zusammensetzung. Daher sind die Sicherheitsstandards heute vergleichbar mit denen anderer ­Speichertechnologien. Auch das Umweltbundesamt sieht in Lithium-Ionen-Batterien keine Gefährdung – eine ordnungsgemäße Handhabung natürlich vorausgesetzt.

Dies ist ein Artikel aus unserer Print-Ausgabe 10/2017. Bestellen Sie ein kostenfreies Probe-Abo.

Bleisäurebatterien haben sich in der Vergangenheit zweifelsohne bewährt. Doch langfristig werden sie den Anforderungen moderner Rechenzentren nicht mehr gerecht – zu schwer und zu groß sind diese Energiespeicher. Die Betreiber sollten sich daher darauf einstellen, dass bisherige VRLA-Systeme in Zukunft durch Lithium-Ionen-Batterien ersetzt werden müssen. Hersteller wie Schneider Electric bieten hier entsprechende Module für dreiphasige USV-Anlagen an. Weitere Hersteller werden folgen, denn der Wandel ist bereits im Gang.

Bildquelle: Thinkstock/iStock

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