Für USV-Systeme stehen verschiedene Speichertechnologien zur Verfügung: Neben dem klassischen VRLA-Akku haben sich Superkondensatoren ebenso wie die Schwungrad-Technologie etabliert. Eine Alternative zu den bisher bekannten Lösungen sind Li-Ionen-Akkus, wie sie etwa die Firma Yuasa anbietet. Im Folgenden werden die Systeme verglichen.

Li-Ionen versus Schwungrad

Der optimale Autonomiebereich eines Energiespeichers definiert sich über Faktoren wie Preis, Gewicht, Abmessungen, Leistung und Effizienz. Das Autonomiefenster des Schwungrads ist mit 10  bis 60 Sekunden sehr klein. Auch die 'LIM25H' von Yuasa deckt diesen Bereich ab, stellt jedoch darüber hinaus bis zu fünf Minuten Autonomie bereit. Auch Autonomien oberhalb der fünf Minuten kann sie abdecken, wobei die kostengünstigere Variante in diesem Bereich ein VRLA-Akku ist. Interessant ist das Kriterium Platzbedarf: Während eine Schwungrad-USV mit 100 kW eine Fläche von circa 0,6 m² benötigt, braucht ein USV-System mit dem Li-Ionen-Akku mit einer Leistung von 300 kW lediglich 0,5 m². Ergo lässt sich mit einem Li-Ionen-Akku bei gleicher Fläche eine deutlich höhere Energiedichte erreichen.

Geht es um die Leistung, die durch die jeweilige Technologie abgerufen werden kann, übersteigt das Leistungspotenzial der Li-Ionen-Lösung den Schwungrad-Ansatz um das Zehnfache. Im Hinblick auf die Energie-Effizienz, die die Verluste der Speichertechnologie im Standby-Modus beschreibt, weist der Li-Ionen-Akku nahezu keine Verluste auf. Das Schwungrad hingegen hat – bedingt durch die Versorgung des Vakuum-Systems und die Unterstützung der magnetischen Lagerung – einen relativ hohen Eigenenergiebedarf.

In Sachen Betriebssicherheit stehen beide Systeme gut da. Die Betriebssicherheit wird gemessen an der Verfügbarkeit der ermittelten Daten, die zu jedem Zeitpunkt über den Zustand des Systems Auskunft geben. Der Li-Ionen-Akku betreffend heißt dies: Auf Modul-Ebene überwachen Sensoren und Steuerungskreise des integrierten Battery Management System (BMS) den Ladezustand jeder einzelnen Zelle sowie des kompletten Moduls. Auf System-Ebene überwacht ein übergeordnetes Master-BMS den Betrieb und steuert gleichzeitig die im Schrank integrierten Moulded Case Circuit Breaker (MCCB), um den Stromkreis im Konfliktfall zu unterbrechen.

Wartung und Ladung

Die Wartung eines Li-Ionen-Akkus beschränkt sich im Wesentlichen auf das Auslesen und Verwerten der Daten des BMS. Während Schwungräder bewegliche Teile besitzen, die regelmäßig durch Spezialisten zu warten und auszutauschen sind, verfügen die Li-Ionen-Module über ein integriertes Multilevel-BMS, das die Überwachung des Akkus mittels Fernwartung ermöglicht.

Leistungsparameter bei 151 kW Output: Selbst bei einer sehr hohen Konstantleistungs-Entnahme von 151 kW über 170 Sekunden zeigt sich ein harmonischer Verlauf der Strom- sowie der Spannungskurve beim Li-Ionen-Akku.

© Yuasa Battery (Europe)

Was den Aspekt Ladung anbelangt, muss die Zeit, die das Speichermedium für eine Wiederaufladung benötigt, ins Verhältnis zur entnommenen Kapazität gesetzt werden. Aufgrund der speziellen Technologie erreicht ein Schwungrad innerhalb weniger Minuten wieder die volle Kapazität. Der Li-Ionen-Akku benötigt je nach Entladetiefe wenige Minuten bis wenige Stunden, um wieder 100 % der Kapazität bereitstellen zu können.

Prinzipiell hängt die Anzahl der Lade-/Entladezyklen, die ein Speichermedium zur Verfügung stellt, zunächst von der Entladetiefe ab. Je mehr Kapazität pro Zyklus entnommen wird, desto weniger Zyklen wird ein Akku – gerechnet über die gesamte Gebrauchsdauer – bereitstellen und umgekehrt. Dieser Vorgang wird in einem Akku im herkömmlichen Sinne durch einen elektrochemischen Prozess begleitet, der diesen gleichzeitig limitiert. Im Schwungrad finden diese elektrochemischen Prozesse beziehungsweise eine elektrochemische Korrosion nicht statt. Aus diesem Grund ist das Schwungrad ungekrönter Zyklenkönig.

Aber: In der USV-Anwendung spielen Zyklen keine Rolle, da der Akku im normalen USV-Betrieb nicht ständig ge- und entladen, sondern nur dann bemüht wird, wenn der Strom wirklich ausfällt. Die dann entnommene Kapazität ist im Sinne eines Zyklus zu vernachlässigen.

Vergleich mit anderen ­Lösungen

Auch im Vergleich mit anderen Speichermedien zeigt die Li-Ionen-Lösung von Yuasa einen Vorsprung bei Gewicht, Volumen und Kostenaufwand. Sie benötigt nur ein Zehntel des Gewichts eines VRLA-Akkus sowie ein Drittel des Gewichts eines entsprechenden Superkondensators, um eine Autonomie von 30 Sekunden zu erreichen. Diesen Gewichtsvorteil baut die LIM25H bei höheren Autonomien aus: Bereits ab einer Autonomie von 30 Sekunden erreicht die Lösung einen deutlichen Volumenvorteil gegenüber einem Superkondensator. Werden lediglich die Kosten der Speichermedien Li-Ionen-Akku und Superkondensator betrachtet, ergibt sich bei circa 30 Sekunden Autonomie eine ähnliche Kostensituation. Der VRLA-Akku scheint bei steigender Autonomie das bessere Kosten-Nutzen-Verhältnis aufzuweisen. Bei Berücksichtigung der hohen Platzmieten, des Einsatzes von Klimatisierungs- und Belüftungstechnik sowie der Restriktionen hinsichtlich der Gebäudestatik ist wohl im Einzelfall doch die Li-Ionen-Lösung vorteilhafter.

Aufbau eines Li-Ionen-Moduls

Die Li-Ionen-Zelle 'LIM25H' in prismatischer Bauform im Alu-Gehäuse. Die gegensätzlich gerichtete Pol-­Anordnung minimiert das Kurzschluss­-Risiko der Li-Ionen-Zelle, die Zellverbindung innerhalb des Moduls wird erleichtert.

© Yuasa Battery (Europe)

Die Li-Ionen-Zelle LIM25H weist eine prismatische Bauform in einem Aluminiumgehäuse auf. Diese Konstruktion der Zellen ermöglicht eine kostengünstigere Konfektionierung von Modulen als bei jedem anderen Zelldesign. Zudem ermöglicht die Bauform die optimale Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Raums innerhalb des Moduls, was zu einer höheren Modul-Energie-Dichte führt, als es etwa beim Einsatz zylindrischer Zellen der Fall wäre.

Die gegensätzlich gerichtete Pol-Anordnung minimiert das Kurzschlussrisiko des Li-Ionen-Akkus und erleichtert die Zellverbindung innerhalb des Moduls. Während zylindrische Zellen mit beiden Polen auf einer Stirnseite ein hohes Kurzschlussrisiko haben, weisen zylindrische Zellen mit Plus und Minus auf je einer Stirnseite einen deutlich höheren Montage-Aufwand auf. Verglichen mit der Bauform der Pouchzelle benötigt die prismatische Konstruktion keine zusätzlichen Einbaurahmen sowie weniger Schweißverbindungen; zudem sind die Interzellverbindungen leichter herzustellen. Jede Yuasa-Zelle verfügt zudem bereits über einen integrierten BMS-Anschluss. Das Aluminium-Gehäuse unterstützt die Wärme-Ableitung.

Jeweils acht Li-Ionen-Zellen sind in Akkumodulen mit einer Nennkapazität von 25 Ah und einer Nennspannung von 28,8 V zusammengefasst. Das Modul, das 17,5 kg wiegt, kann mit einem maximalen Strom von 600 A geladen sowie entladen werden, im zyklischen Betrieb erreicht es 11.000 Lade-/Entlade-Zyklen. Mit diesen Daten lassen sich in Abhängigkeit von der Entladeleistung extreme Ladezeiten von unter 15 Minuten und Autonomien von wenigen Minuten bis zu mehreren Stunden abbilden.

Einsatz im Batterieschrank

Ein Batterieschrank von Yuasa für USV-Systeme, bestückt mit 16 LIM25H-8-Modulen.

© Yuasa Battery (Europe)

Da die Module dem 19-Zoll-Indus­triestandard entsprechen, lassen sie sich ohne Anpassungsprobleme in ­entsprechenden Batterieschränken verbauen. Ein komplettes USV-System beispielsweise ist mit 16 LIM25H-8-Modulen bestückt und wiegt als kompakter Schrank 490 kg. Die Leistung des Systems liegt bei 235 kW und lässt sich bei Bedarf bis auf 20 Module ­erweitern, was dann einer Leistung von 290 kW ­entspricht. Abhängig vom Strom kann der Akku in weniger als 15 Minuten geladen werden. Durch ­integrierte Schnittstellen wie RS232C, RS485/Modbus und CAN-Bus2.0b ist die Kommunikation zwischen dem USV-System und dem je­weiligen Equipment des Anwenders gewähr­leistet.

Autor:
Raphael Eckert ist Group Sales Manager bei Yuasa Battery (Europe) in Düsseldorf.