Ventilgeregelte Blei-Säure-Batterien (VRLA) sind in dreiphasigen Leistungsquellen von unterbrechungsfreien Stromversorgungsanlagen weit verbreitet. Aufgrund ihres Gewichts und ihrer Größe erfordern sie in Rechenzentren verstärkte Tragkonstruktionen. Zudem wird die Klimatisierung wird durch VRLA-Batterien, deren Leistungsmerkmale temperaturabhägig sind, sehr beansprucht. VRLA-Batterien sind nicht sehr langlebig und müssen regelmäßig ausgetauscht werden, was die Betriebskosten zusätzlich in die Höhe treibt.

Da es bisher keine wirtschaftlich tragbaren Alternativen zu VRLA-Batterien gab, mussten Konstrukteure sich mit diesen Nachteilen zufriedengeben. In den vergangenen Jahren hat sich das Blatt jedoch zugunsten von Lithium-Ionen-Batterien gewendet. Letztere kamen lange Zeit aufgrund ihres ungünstigen Verhältnisses zwischen Preis, Energie, Kapazität, Sicherheit und Zuverlässigkeit nicht für unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) von Rechenzentren infrage. Dieses Problem wurde nun dank des Fortschritts in der Elektromobilität gelöst. 2016 kam das erste mit einer Lithium-Ionen-Batterie betriebene USV-System auf den Markt. Inzwischen bieten alle führenden Akteure solche Systeme an und die Technologie gilt gemeinhin als äußerst vielversprechend. Einem Bericht von Bloomberg New Energy Finance zufolge soll der Anteil von Lithium-Ionen-Lösungen am Markt für Rechenzentrums-USVs bis 2025 bei 40 % liegen.

Vorteile von Lithium-Ionen-Batterien

Unternehmen im Bereich Unterhaltungselektronik verwenden häufig Lithium-Ionen-Batterien mit Kobalt, die eine Kapazität von mehreren Amperestunden erreichen. Diese USV-Systeme sind mit rechteckigen Zellen auf Lithium-Mangan-Basis ausgestattet. Ihre Kapazität beträgt 60 Amperestunden, sie haben eine wesentlich längere Lebensdauer und verfügen über verschiedene Ausfallschutzgrade. Einzelne Module, manchmal sogar einzelne Zellen, sorgen für die Überwachung wichtiger Leistungsparameter wie Temperatur, Spannung und Strom. Mitunter sind auch Schaltschränke oder das ganze System für die Überwachung zuständig. Die Überwachung ist unerlässlich, um die Kontrolle über Lade- und Entladevorgänge zu behalten und um ein kritisches Aufheizen sowie irreversible chemische Prozesse zu verhindern. Zudem bieten Lithium-Ionen-Batterien eine höhere Energiedichte (Wh/kg) und Ausgangsleistungsdichte (W/kg). Mit einer vergleichbaren Energiespeicherkapazität wiegen sie etwa dreimal weniger als Blei-Säure-Batterien, wodurch die Gesamtmasse des Systems um 60–80 % verringert wird.

Im Laufe der letzten Jahre haben Rechenzentren versucht, ihre Leistungsdichte angesichts des begrenzten Platzangebots und des Bedarfs an effizienteren Abläufen zu steigern. Eine der wichtigsten Aufgaben der Eigentümer von Rechenzentren besteht darin, den verfügbaren Raum optimal zu nutzen. Kompakte Lithium-Ionen-Batterien reduzieren den Platzbedarf eines USV-Systems um 50–80 %. Diese Batterien haben kürzere Ladezeiten und eine geringere Selbstentladung, was bei häufigen Ausfällen eine entscheidende Rolle spielt. Im Standbymodus verliert eine Lithium-Ionen-Batterie pro Monat etwa 1–2 % ihrer Ladung. Der ausschlaggebende Vorteil ist aber ihre lange Lebensdauer. Blei-Säure-Batterien haben eine relativ kurze Lebensdauer von nur drei bis sechs Jahren. Lithium-Ionen-Batterien können dagegen zehn Jahre genutzt werden. Je nach chemischer Zusammensetzung, Technologie und Temperatur haben sie eine Ladeeffizienz von bis zu 5.000 Lebenszyklen und sind wartungsfrei, während Blei-Säure-Batterien durchschnittlich nur 700 Lebenszyklen erreichen.

Über einen Zeitraum von zehn Jahren (durchschnittliche Lebensdauer von USVs in Rechenzentren) sind die Gesamtbetriebskosten (TCO) 39 % geringer als bei Blei-Säure-Batterien. Diese Schätzung ist zwar optimistisch, dennoch sind Einsparungen in Höhe von 10 % garantiert. Der einzige Nachteil von Lithium-Ionen-Batterien ist, dass sie in der Anschaffung wesentlich teurer sind. Deshalb übernehmen große Rechenzentren eine Vorreiterrolle bei der Entwicklung neuer Lösungen. Für diese Einrichtungen ist die Senkung der Gesamtbetriebskosten weit wichtiger als kurzlebige Vorteile, und selbst bei Einsparungen in Höhe von wenigen Prozent geht es um enorme Summen. Darüber hinaus kann der verfügbare Platz mit kompakten Batterien effizienter genutzt werden, während zuverlässige Überwachungssysteme für höhere Sicherheit und eine stabile Leistung sorgen. Lithium-Ionen-Batterien funktionieren bei höheren Temperaturen als VRLA ohne Leistungseinbußen, wodurch die Kühllast verringert wird. Sogar einphasige USVs können mit Lithium-Ionen-Batterien ausgestattet sein. Es gibt Modelle für eine Vielzahl von Anwendungen, von riesigen Rechenzentren über industrielle Anwendungen bis hin zu kleinen Serverräumen und einzelnen Racks.

Wann ist ein Austausch sinnvoll?

Die entscheidende Frage, die sich jeder Verbraucher stellen sollte, lautet: Ist jetzt der richtige Zeitpunkt für die Umrüstung unseres USV-Systems auf Lithium-Ionen-Batterien? Um diese Frage zu beantworten, sollte man zunächst die Verfügbarkeit technischer Kapazitäten prüfen. Nicht für alle USV-Modelle sind neue Batterien verfügbar und mitunter sind größere Upgrades der Hardware und der integrierten Software erforderlich. Auch wenn die Nennspannung gleich bleibt, unterscheiden sich die Lade- und Entladeeigenschaften.

In der Regel geht man bei einem typischen USV-System von einer Lebensdauer von zehn bis fünfzehn Jahren aus. Blei-Säure-Batterien halten drei bis sechs Jahre, Lithium-Ionen-Batterien dagegen zehn Jahre und länger. Bei höchstens fünf Jahre alten USV-Systemen ist der Austausch eines Großteils der Blei-Säure-Batterien daher sinnvoll. Es gilt jedoch zu bedenken, dass die Lithium-Ionen-Batterien voraussichtlich bis zum letzten Betriebstag des USV-Systems halten werden. Wenn sich die Lebensdauer der USV dem Ende nähert, halten die Batterien wahrscheinlich länger als das System. In diesem Fall ist der Umstieg wenig sinnvoll. Dann ist zu überlegen, ob nicht eher das gesamte USV-System durch eine neue Lithium-Ionen-Lösung ersetzt werden sollte. Doch auch bei alten USVs kann es sich als zweckmäßig erweisen, teure Batterien einzusetzen. Hierbei sind der stete Preisrückgang der Batterien sowie das Verhältnis zwischen den Wartungskosten für das alte System und den Kosten für den kompletten Austausch zu berücksichtigen.

Prognosen und Zukunftsaussichten

Obwohl mit Lithium-Ionen-Batterien betriebene USV-Systeme laufende Kosten und TCO erheblich senken, verwenden viele Kunden noch immer die lange erprobten VRLA-Lösungen. Dies lässt sich dadurch erklären, dass sich Lithium-Ionen-Batterien erst auf lange Sicht lohnen. Die Kapitalkosten steigen zunächst einmal deutlich an. Allerdings wächst das Kundeninteresse für Innovationen Jahr für Jahr mit steigender Tendenz. In großen Rechenzentren ist das Einsparpotenzial enorm, weshalb Lithium-Ionen-Systeme in der Privatwirtschaft zunehmend zum Einsatz kommen. Gleichzeitig werden in der Lithium-Ionen-Chemie immer größere Fortschritte erzielt. Im Laufe der Zeit werden neue Lösungen und Technologien aufkommen und die Preise für Lithium-Ionen-Batterien weiter sinken.

 

▼ Beispiel für Batteriekonfigurationen in einem Rechenzentrum: VRLA im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien