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Batterien in der USV-Technologie:
Saft und Kraft

Ob eingebaut oder in einem externen Gehäuse – ohne Akkus kommt keine USV aus. Die Stromspeicher können entweder für lange Zeit die Sicherheit der Netzversorgung garantieren oder alle drei Jahre einen enormen Kostenfaktor darstellen. Beim Kauf der USV sind also ein paar kritische Fragen zum Akku erlaubt.
Ob der Akku sein Geld wert ist oder nicht, weiß man erst im Ernstfall: wenn der Strom ausfällt und die USV auf die gespeicherte Energie zurückgreifen muss. Die eingesetzte Technik ist nach wie vor der Bleiakku, auch wenn sich die Materialien und Fertigungsschritte im Laufe der Jahre stark verändert haben. Leser über 30 erinnern sich vielleicht: In neu gekaufte Autobatterien musste man das Schwefelsäure/Wasser-Gemisch noch selbst einfüllen, dafür gab es kleine Schraubverschlüsse über den Zellen der Batterie. Diese Bauform, die heute an Bedeutung verloren hat, nennt man ‚geschlossen‘. In den Schraubverschlüssen sind kleine Entlüftungsöffnungen eingearbeitet, über die das während der Reaktion entstehende Knallgas entweichen kann. Etwa ein Drittel der verkauften Akkus fällt noch in diese Gruppe. Der Rest gehört zum Typ ‚verschlossen‘. Er wird vor allem bei kleinen und mittleren USV-Anlagen eingesetzt. Verschlossene Akkus sind entweder als Vlies- oder Gel-Batterie ausgeführt, bei Letzterer wird das Elektrolyt durch Kieselsäure oder eine andere Chemikalie von flüssig in halbfest umgewandelt. Vlies-Ausführungen nutzen ein mit Elektrolyt getränktes Gewebe im Inneren. Bei beiden Varianten können Gaskanäle zwischen den Elektroden entstehen, der entstehende Sauerstoff wandert zur negativen Elektrode und wird dort als Wasser abgeschieden. Indem man die negative Elektrode sehr groß dimensioniert und die Wasserstoffproduktion hemmenden Chemikalien in den Elektrolyten einbringt, muss der Elektrolyt über die Lebensdauer nicht nachgefüllt werden. Dieser Typ wird auch als wartungsfrei bezeichnet. Größter Vorteil: Verschlossene Akkus sind lageunabhängig und können auch mit Neigewinkeln betrieben werden. Allerdings hat die verschlossene Bauform aufgrund der weitgehenden Dichtheit unter Umständen andere Schwierigkeiten. Bei falscher Ladetechnik mit zu hoher Spannung oder der Nichtbeachtung der Temperatur bei der Ladung quellen die Gehäuse nach oben und an den Seiten auf. Selbst wenn die Gehäuse dicht halten, was sie in der Regel auch tun, stehen Techniker beim Austausch der Akkus vor einer echten Herausforderung. Bei kleinen USV-Anlagen ist der Einbauschacht nur geringfügig größer als der Akku selbst. Häufig muss die komplette USV zerlegt werden, um die defekten Akkus auszubauen. Gibt ein Gehäuse ganz oder teilweise nach und das Elektrolyt läuft aus, tropft es auch manchmal auf die elektrischen Kontakte und Kabelschuhe. Die fangen dann recht schnell an zu korrodieren. Das Fatale: Der Prozess ist nicht aufhaltbar und während ein korrodierter Kabelschuh noch relativ einfach zu wechseln ist, muss aber auch noch der komplette Akku getauscht werden, dessen Anschlussfahne mit dem Elektrolyt in Berührung gekommen ist.

Mechanik nicht vernachlässigen

Die Mechanik spielt auch in anderen Bereichen eine Rolle. Bei mittelgroßen Anlagen ab 50kVA ist es wichtig, dass die Wartungstechniker gut an die Akkuregale kommen und diese immer ausreichend belüftet werden. Schubladen oder Schlitten für Akkusätze, wie sie bei Newave zum Einsatz kommen, ermöglichen schnellen Service und beugen Unfällen mit den schweren Blöcken vor. Bei kleineren Anlagen zahlen sich genaue Verkabelungsanleitungen der Akkus ebenso aus, wie in die Trägerplatten eingestanzte, exakte Anweisungen, wo der Plus und wo der Minuspol des Akkus zu sein hat. Im Ernstfall, wenn man schnell einen defekten Akku tauschen will, sind solche eigentlich banalen Anweisungen Gold wert. Wonach sollten Kunden den Akku in ihrer USV auswählen? Wichtig ist natürlich die vom Akkuhersteller angegebene Lebensdauer. Akkus werden in unterschiedliche Klassen eingeordnet, meist nach von der Eurobat-Organisation 1992 herausgegebenen Kriterien. Sie definieren die Kategorien ‚Standard-Commercial‘ mit drei bis fünf Jahren, ‚General-Purpose‘ mit sechs bis neun Jahren, ‚High-Performance‘ mit zehn bis zwölf Jahren und ‚Longlife‘ für Lebensdauern von zwölf Jahren und darüber. Angegeben wird die Lebensdauer aber nur für die Nenntemperatur von 20°C. Wie stark eine erhöhte Temperatur auf das Wartungsintervall einwirkt, zeigt eine Auswertung in der Eurobat-Spezifikation. Schon bei 10°C mehr, reduziert sich die Lebensdauer um den Faktor 2. Auch eine Testreihe des Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie (ZVEI), Fachverband Batterien, kommt zu sehr ähnlichen Ergebnissen. Die Eurobat-Spezifikation darf man also in den allermeisten Fällen nicht bis zum letzten Monat ausreizen. Wer kann schon die Temperatur im Inneren einer USV-Anlage durchgehend auf 20°C einstellen? Labortests unter möglichst realen Bedingungen zeigten, dass ein High-Performance Akku in der Regel sieben bis acht, anstelle der vorgesehenen zehn bis zwölf Jahre, durchhielt. Und noch ein Faktor darf nicht außer Acht gelassen werden: Leider kommen häufig Akkus auf den Markt, die vom Hersteller entweder sehr optimistisch oder schlichtweg falsch deklariert werden. Diese, oft aus chinesischer Produktion stammenden Akkus, haben erheblich dünnere Plattenstärken als sie eigentlich aufweisen müssten. Sie halten im besten Fall fünf, meist aber nur drei Jahre lang durch. Trotzdem: Wer die Anschaffung einer USV plant, sollte genau nachfragen, welche Klassifizierung die verwendeten Akkus haben und wie lange sie ihren Dienst verrichten werden.

Hegen und Pflegen

Dass ein verschlossener Bleiakku wartungsfrei ist, gilt nur für das Nachfüllen von Wasser und Säure. Der Akku muss permanent auf dem korrekten Ladestand gehalten und so schnell wie möglich nachgeladen werden. Dabei müssen die äußeren Bedingungen, vor Allem die Temperatur, in die Ladeparameter einfließen, wie es bei den USV-Anlagen von Newave geschieht. Doch die Ladung für jeden Akku so optimal wie möglich zu gestalten, stellt die Entwickler vor große Herausforderungen. In einem USV-System können Hunderte von Akkus verbaut sein, die im Prinzip alle am gleichen Laderegler hängen. Die Akkus unterscheiden sich in ihren Eckdaten in der Regel nur geringfügig, manchmal allerdings drastisch. So können die Zeiten bis zur Vollladung erheblich auseinander klaffen. Ein Akku, der seine Entladung schneller erreicht als seine Kollegen, wird dadurch aber konstant überladen, weil der Lade­regler, zumindest für diesen Akku zu spät auf Erhaltungsspannung schaltet. Schaltungstechnisch ist es aber sehr schwer, während des Betriebs den konkreten Ladezustand der Zellen im Akku zu ermitteln. Mehrere Anbieter versuchen über ein Ersatzmodell nach Randles durch das Anlegen einer modulierten Spannung an den Akku ein genaueres Bild des Ladezustands zu erreichen. Z.T. werden die Akkus mit jeweils eigenen Mikroprozessoren ausgestattet, um die Messungen durchzuführen und die Ladespannung entsprechend anzupassen. Auch Newave bietet eine solche Aufrüstung der Akkus optional an. Abseits von solch komplexen Maßnahmen gilt natürlich eine einfache Grundregel: Bleiakkumulatoren dürfen nicht tiefentladen werden, weil das zu irreparablen Schäden führt, in jedem Fall die Nennkapazität beeinträchtigt – wenn es den Akku nicht komplett unbrauchbar macht. Eine entsprechende Abschaltung, die einer Tiefentladung zuvorkommt, sollte in jede USV eingebaut sein. Ebenfalls wichtig ist die möglichst von Restwelligkeit (Ripple) freie Ladespannung. Zu starkes Ripple an den beiden Polen reduziert auf Dauer sowohl die Lebensdauer als auch die Nennkapazität. Eurobat empfiehlt bei angeschlossener Last einen Anteil der Restwelligkeit von nicht mehr als 1%, die EN50270 Richtlinie gibt ähnliche Grenzwerte vor. Newave geht das Thema Restwelligkeit ganz gründlich an. Die Spannung hinter den IGBT-Gleichrichtern wird zunächst über eine eigene Booster-Technologie geleitet und steht dann als Vierpol-Zwischenkreis zur Verfügung. Jetzt sorgt ein DC/DC Wandler für eine weitere Glättung der Spannung, die dadurch am Eingang der in Reihe geschalteten Sätze mit je 30 bis 50 Einzelakkus völlig frei von Restwelligkeit ist. Durch den DC/DC-Wandler kann auch die Spannung kontrolliert werden, was in Situationen von Vorteil ist, wenn Kunden bereits bestehende Akkusätze haben und diese für die Newave-USV weiter nutzen möchten. Die feine Kontrolle der Spannung und ihrer Aufteilung auf die Batteriestränge ist nicht zuletzt das Resultat von modularen USV-Systemen. Wie bei Newaves Conceptpower DPA Anlagen, hat jedes Leistungsmodul in der Regel auch mindestens einen eigenen Batteriestrang, manchmal kommen auch N+2 Konfigurationen zum Einsatz. Das sorgt zunächst für eine sehr hohe Redundanz und hilft bei nachträglichen Erweiterungen. Denn wenn der Leistungsbedarf im Rechenzentrum wächst, ist auch eine größer dimensionierte USV und damit mehr Akkukapazität notwendig. Alte und neue Akkus sollten nicht kombiniert werden, der Innenwiderstand erhöht sich mit zunehmender Lebensdauer, die Ladespannungen passen nicht zusammen. Durch die Ansteuerung der Akkustränge pro Modul ist der nachträgliche Tausch von Akkus hingegen problemlos möglich. Zum Einen verschlechtert sich die Verfügbarkeit der USV während des Austauschs nicht, die anderen Module sind davon nicht betroffen. Zum Anderen muss nur der Akkustrang gewechselt werden, auf den das das Modul mit der nun höheren Leistung zurückgreift – das spart Kosten und sorgt für kurze Umbauzeiten.

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