Wenige Branchen sind derart schnellen Innovationszyklen unterworfen wie die Informationstechnologie. Das gilt auch für Bereiche, die eher im Verborgenen wirken, abseits des Fokus von Analysten und Presse. So ein Bereich ist die Stromversorgung von IT-Equipment, oder vielmehr dessen Absicherung. Ohne Strom läuft nichts, weder zu Hause noch in den großen Rechenzentren von Organisationen und Hosting-Anbietern. Doch getrieben von Branchen übergreifenden Trends wie Nachhaltigkeit und Energiesparsamkeit werden auch hier traditionell genutzte Konzepte und Technologien abgelöst. Hersteller von unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV), maßgebliche Bausteine für die Verfügbarkeit von IT-Equipment, betreten mit dem Einsatz von Lithium-Ionen-, anstellen klassischer Bleiakkus, neues Terrain.

Die Rechenzentrumsprofis der noris network AG, einem Anbieter von maßgeschneiderten ITK-Lösungen in den Bereichen IT-Outsourcing, Managed Services, Cloud Services sowie Network & Security setzten bei einem neuen Projekt auf aktuelle Li-Ion-Technologie und folgen damit den Zeichen der Zeit. Dass die noris network AG mit ihren hohen Ansprüchen an die Versorgungssicherheit diesen Schritt wagt, hat auch mit dem gewählten Partner Wöhrle Stromversorgungssysteme zu tun. Die beiden Unternehmen sind langjährige Partner und haben schon mehrfach in gemeinsamen Projekten sichere und gleichzeitig innovative Lösungen umgesetzt. Überhaupt ist beständige Innovation die große Stärke einer agilen, ingenieurzentrischen Firma wie Wöhrle Stromversorgungssysteme. Durch deren lange Erfahrung im Bau von Stromversorgungstechnik, ließen sich selbst in der traditionell konservativen Branche immer wieder moderne und nachhaltige Projekte umsetzen.

Innovation im Rechenzentrum

Florian Sippel, Chief Operations Offices bei der noris network AG, kann das bestätigen: „Wir beobachten genau, was auf der Welt und im Markt passiert. Nachhaltigkeit ist jetzt eine Standardanforderung bei Projekten. Trotzdem müssen wir den Betrieb sicher, günstig und zuverlässig gestalten. Das ist sozusagen die Quadratur des Kreises, die wir nur mit einem starken und innovativen Partner wie Wöhrle Stromversorgungssysteme geschafft haben.“ Die noris network AG steht seit 2015 im engen Kontakt mit der Technologieschmiede und setzt bereits in mehreren Rechenzentren auf deren USV-Anlagen. Beim Nürnberger Anbieter von ITK-Dienstleistungen entwickelt sich die Nachfrage sehr positiv, so dass 2019 ein weiteres Rechenzentrum in Nürnberg geplant wurde. Früh stand fest, dass beide Firmen bei diesem Neubau von Anfang an zusammenarbeiten würden. Schon in den ersten Gesprächen war „Innovation“ der rote Faden, an dem sich beide Unternehmen orientierten. Klar war, dass die Lösungen zur Sicherung der Stromversorgung moderne Energiespeicher nutzen sollten.

Markus Steiner, Technischer Leiter bei Wöhrle Stromversorgungssysteme, erinnert sich gut an die ersten Treffen: „Wir haben von Anfang an auf Lithium-Ionen-Energiespeicher gesetzt. Das kam bei der noris network AG gut an, und wir haben unsere Planung konsequent in diese Richtung

Mit Li-Ion in die Zukunft

Lithium-Ionen-Akkus, die vor allem durch den Einsatz in der Elektromobilität bekannt sind, verbessern praktisch alle Eckdaten einer unterbrechungsfreien Stromversorgung. Am augenfälligsten sind die physischen Daten: Lithium-Ionen Speicher haben bei gleicher Energiedichte nur etwa 30 Prozent des Platzbedarfs einer Bleibatterie und müssen nicht entlüftet werden. Das bedeutet, dass die Bauplanung deutlich entspannter wird und mehr Fläche für das Kerngeschäft zur Verfügung steht. Zudem ist das Temperaturspektrum., in dem eine Lithium-Ionen-Akku seiner Spezifikation betrieben werden kann, mit 0 bis 40 Grad Celsius deutlich größer. Dazu kommen eine, um ein Viertel kürzere, Ladezeit und erheblich mehr mögliche Ladezyklen. Anstelle von 300 bis 500 Zyklen, nach denen ein Bleiakku getauscht werden muss, weil seine Restkapazität keinen wirtschaftlichen Betrieb mehr erlaub, sind es bei Li-Ion-Akkus zehn Mal so viele – bis zu 5000. Der Kapazitätsverlust verläuft nahezu linear, damit sind bösen Überraschungen ausgeschlossen, wenn eine Zelle über Nacht deutlich an Kapazität verliert. Solche unkalkulierbaren Veränderungen werden bei Lithium-Ionen-Akkus durch das eingebaute Batteriemanagementsystem (BMS) verhindert. Diese Kontrolllogik, mit der jede Zelle ausgestattet ist, zeigt jederzeit die genauen Batteriezustand über die Werte Spannung, Stromstärke, Zyklenzahl, Temperatur und Innenwiderstand an und regelt aktiv die optimale Ladung der Zellen. So werden Li-Ion-Akkus nahezu wartungsfrei. Bei einer Bleibatterie ist ein BMS optional und nur mit hohen Kosten umsetzbar. Markus Steiner fasst die Vorteile der Li-Ion-Technik zusammen: „Lithium Batterien haben gegenüber der üblichen Bleitechnologie im Rechenzentrum eine längere Lebensdauer, sind zyklenfester und somit auch als Regelenergie zur Spitzenlastkappung geeignet.“

Vorteil: TCO über die Lebensdauer

Die Wirtschaftlichkeit, also Kosten versus Ertrag, spielen bei einem kommerziellen Anbieter von ITK-Dienstleistungen wie der noris network AG eine große Rolle.  Auch die Stromversorgung muss aus betriebswirtschaftlicher Sicht Sinn ergeben. Hier kann die Lösung, die Wöhrle Stromversorgungssysteme für das Nürnberger Unternehmen entwickelt hat, langfristig punkten. Zwar lagen die Anschaffungskosten Mitte 2020 etwa 20% höher als bei einer vergleichbaren Anlage mit Bleibatterien, allerdings relativier sich dieser Mehraufwand nicht nur über die Laufzeit, am Ende schlägt sogar ein deutlicher positiver TCO (Total-Cost-of-Ownership) zu Buche. Bis zu 35% geringere Gesamtnoten kann die Lithium-Ionen basierte Anlage über die komplette Lebensdauer erzielen, zu großen Teilen durch die deutlich höhere Standzeit der Energiespeicher sowie durch Einsparungen bei Kühlung und den Verzicht auf die Lüftungsanlage. Markus Steiner hat gute Erfahrungen mit der Rentabilität der neuen Generation von Energiespeichern gemacht: „Die TCO Betrachtung ist aufgrund der attraktiveren Preise positiv, insbesondere da bei Li-Ion eine Einzelzellenüberwachung bereits integriert ist. Bei der Blei-Variante müsste sie zusätzlich installiert und gewartet werden, was höhere Betriebskosten bewirkt.“

Neben den Kosten entscheidet bei einem solchen Projekt auch die Unterstützung des Partners über Erfolg und Misserfolg. „Mit Wöhrle Stromversorgungssysteme haben wir einen Partner gefunden, der mit uns sichere Wege geht,“ so Florian Sippel. „Das Unternehmen konnte durch sein Gesamtkonzept überzeugen, bei dem Lieferung, Installation, Betrieb und nachhaltige Wartung aus einer Hand erfolgte.“

Redundant an die Verbraucher

Das neue Rechenzentrum der noris network AG wurde nach einem Energiezellenkonzept entworfen. Je Zelle sind Verbraucher mit zusammen einem Megawatt an Leistungsbedarf installiert. Die Absicherung erfolgt über ein dediziertes USV-System Wöhrle WISUS-MS, dass auf einem Huawei-USV-Produkt basiert. Es stellt pro Zelle mit 1,25 MW Kapazität bereit, so dass Überlastsituationen ausgeschlossen sind. Als Backup für die USVs ist je Zelle ein Dieselaggregat vorgesehen, dass normalerweis in unter einer Minute anläuft. Sollte der Diesel wider Erwarten nicht starten, verfügen die anderen Energiezellen über genug Kapazität, um die ausgefallene Zelle zusätzlich zu versorgen. Jede Energiezelle hat eine separate 400V Mittelspannungseinspeisung und liefert einen autarken Stromstrang sowie einen Kühlluftkanal in die Hosting-Fläche. Alle Verbraucher im Rechenzentrum erhalten zwei getrennte Netze aus jeweils voneinander unabhängigen Energiezellen.

Redundanz zieht sich als Designkonzept durch die gesamte Anlage. Die USVs sind Einschubmodular aufgebaut, die Gesamtleistung wird von zwei Systemschränken geliefert. Insgesamt könnte die WISUS-MS acht parallele Einheiten zu einem System mit insgesamt 6,4 MW Gesamtleistung verbinden. Jeder der beiden Systemschränke enthält zwölf Leistungsmodule mit 50 kVA in einer n+1 Konfiguration. Insgesamt zwei Leistungsmodule könnten komplett ausfallen, ohne dass die zugsicherte Gesamtleistung für die Energiezelle gefährdet wäre. Die Energiespeicher sind auf sechs Schränke mit jeweils 16 Batterien pro Schrank verteilt. So kommen gut 41 kWh pro Schrank zusammen, was der USV-Anlage pro Energiezelle zu einer Überbrückungszeit von 10 Minuten bei Volllast verhilft.  Durch die erheblich höhere Leistungsdichte der Lithium-Ionen-Akkus konnte im Vergleich zu Bleiakkus die Hälfte der Aufstellfläche eingespart werden. Weil Li-Ion nicht gleich Li-Ion ist, kommt auch dem spezifischen Batterieaufbau große Bedeutung zu. Wöhrle Stromversorgungssysteme nutzt bei der WISUS-MS Lithium-Eisenphosphat-Zellen (LiFePO4). Sie sind chemisch sehr stabil und unempfindlich gegen Beschädigung. Die Feuergefahr ist sehr gering, eine Selbstentzündung, oft das wichtigste Argument gegen den Einsatz von Li-Ion-Technik, droht erst ab 600 Grad Celsius. Der Nageltest, bei dem die Zelle in einer kontrollierten Umgebung mit einem spitzen Metallgegenstand durchschlagen wird, führt bei LiFePO-Zellen lediglich zum Funktionsverlust und hat keine Entzündung oder Explosion zur Folge.

Fazit und Erfahrungen

Mittlerweile ist das Rechenzentrum NBG6-BA2 in Nürnberg, nach leichten Corona-bedingten Verzögerungen, in Betrieb gegangen. Installation, Aufbau und Test der Li-Ion-USV-Anlagen liefen problemlos, die noris network AG konnte erste Erfahrungen mit den Systemen sammeln. Florian Sippel fasst die wichtigsten Eindrücke zusammen: „Die Vorzüge der höheren Leistungsdichte, sowie des geringeren Gewichts und Platzbedarfs sprechen eindeutig für die Lithium Technologie. Und für uns ist die Wirtschaftlichkeit über die Lebensdauer entscheidend. Da hat Li-Ion eindeutig gewonnen.“ Dazu tragen der hohe Wirkungsgrad der WISUS-MS von bis zu 97 Prozent im Normalmodus bei, sowie die einfache Wartung und Erweiterung des Systems im laufenden Betrieb (Hot-Swap-Fähigkeit). Ebenfalls positiv fällt die unkomplizierte Fernwartung durch die Netzwerkanbindung der USV-Anlage über SNMP und Modbus-TCP auf. Sie liefert den Technikern von Wöhrle Stromversorgungssysteme jederzeit einen eindeutigen Status des Systems und schnellen Zugriff bei Serviceanfragen. Formal gab es ebenfalls keine Schwierigkeiten mit der neuen Technologie, so Florian Sippel: „Die Sachversicherer stellen in Bezug auf Aufstellung, Betrieb, Brandschutz oder Klimatisierung keine höheren Anforderungen als an Bleibatterien. Auch unsere Kunden sehen Li-Ion-Technik positiv und als innovative, zukunftsträchtige Lösung im Rechenzentrum.“

Funktionsweise moderner Windkraftanlagen

Moderne Windkraftanlagen arbeiten überwiegend nach dem Auftriebsprinzip. Dabei werden aerodynamisch geformte Rotorblätter eingesetzt, wie sie auch im Flugzeugbau Verwendung finden. Der Wind erzeugt Druck an der Vorder- und einen Sog an der Unterseite der Blätter. Die Gondel mit dem Rotor wird über Stellmotoren optimal zum Wind ausgerichtet. Wie viel Energie aus dem Wind generiert werden kann, hängt unter anderem von der Größe der Fläche ab, die der Luftstrom anweht. Die Rotorblätter sind daher möglichst lang. In Folge wachsen die Windräder immer mehr in die Höhe –. 120 bis 160 Metern sind keine Seltenheit mehr. Doch diese großen Anlagen sind ab Windstärken von 25 bis 30 Metern in der Sekunde großen Kräften ausgesetzt. Um Schäden an der Windkraftanlage zu vermeiden, werden die Rotorblätter bei Überschreitung einer maximalen Windstärke, der Abschaltgeschwindigkeit, aus dem Wind gedreht. Sie stehen dann in der sogenannten „Fahnenstellung“, in der sie den geringsten Windwiderstand bilden. Der Rotor dreht sich dann langsam im Wind. Dieser Schutzmechanismus verhindert, dass die Rotationskräfte zu groß werden, welchen das Windrad nicht mehr standhalten kann.

Nachführung mit Stellmotoren

Stellmotoren in der Gondel sorgen für die Nachführung, sowohl um die Gondel auszurichten als auch um die „Fahnenstellung“ anzusteuern. Den Motoren kommt daher eine entscheidende Bedeutung für die Leistung und Verfügbarkeit des Windrades zu. Weht nicht genügend Wind, versorgt sich die Windkraftanlage selbst nicht mit genügend Strom. Die Anlage wird dann über die Mittelspannungsanbindung mit Strom versorgt. Doch bei einem starken Sturm können die Überlandleitungen beschädigt werden oder es kommt aus anderen Gründen zu einem Stromausfall im Netz. Dann wäre das Windrad reaktionsunfähig und damit wehrlos z.B. einem Orkan ausgeliefert.

Da bei Netzausfall die Flügel automatisch die „Fahnenstellung“ einnehmen müssen, könnte die Situation entstehen, dass der Wind die Flügel nicht von vorne, sondern von der Seite anweht. Hierbei können unzulässig hohe Kräfte entstehen. Um Schäden zu vermeiden, sorgt die WISUS-48 von Wöhrle dafür, dass die Stellmotoren auch bei Netzausfall in der Lage sind, die Gondel immer so auszurichten, dass sie immer „im Wind steht“. Das bedeutet der Wind weht immer von vorn auf die Anlage. Damit bilden die Flügel, die in „Fahnenstellung“ stehen, den geringsten Windwiderstand und die Anlage ist auch bei starken Stürmen geschützt

Ein Windrad ist den Wetterelementen in besonderem Maß ausgesetzt. Egal ob der Standort zu Wasser oder an Land gewählt wird. Es herrschen Extrembedingungen bei Hitze, Feuchtigkeit und Kälte. Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung muss daher spezifisch auf den Einsatzbereich in einem Windrad zugeschnitten sein. Die Wöhrle Stromversorgungssysteme GmbH, seit vielen Jahren auf Stromversorgungen für besonders anspruchsvolle Industrieanwendungen spezialisiert, entwickelt und fertigt Gleichspannungs-­ und Wechselspannungssysteme nach strengsten Kriterien. Mit der WISUS-48 hat Wöhrle eine Notfallstromversorgung im Portfolio, die bereits erfolgreich in Windrädern genutzt wird.

Höhere Leistungen verlangen erweiterte Risikoabsicherung

Mit den immer höheren Leistungen und Anlagengrößen von Windrädern gehen besonders bei terrestrischer Aufstellung auch höhere Risiken einher. Betreiber rechnen im Zeitraum von zehn Jahren mit zwei bis drei Situationen, die den Verlust der Mittelspannungsversorgung mit sich bringen. Für genau solche Fälle ist die WISUS-48 optimal ausgelegt. Sie kann sechs Stellmotoren mit einer Gesamtleistung von knapp 30 kVA im Worst Case einige Stunden lang alle fünf Minuten mit Strom versorgen und so auch länger andauernde Ausfälle überbrücken. Zusätzlich ist noch eine deutliche Leistungsreserve eingebaut. Schon nach etwa zwei bis drei Stunden ist der Stromspeicher wieder vollgeladen, was der Verfügbarkeit der Notfallstromversorgung zugutekommt.
Die im Fuß des Masts untergebrachte unterbrechungsfreie Stromversorgungsanlage WISUS-48 nutzt Lithium-Ionen-Batterien mit der LiFe-Phosphat-Technik als Energiespeicher. Dies ergibt sehr kurze Ladezyklen und allgemein gilt diese Li-Ion-Technik als die sicherste. Außerdem sind Li-Ion Batterien sehr beständig gegenüber Temperaturschwankungen. Während die früher verwendeten Bleiakkus bei nur 20 Grad Celsius ihre Nennkapazität erreichen und bei Abweichungen rasch deutlich an Kapazität einbüßen, sind Li-Ion-Akkus erheblich unempfindlicher und dazu kompakter. Kleinere Abmessungen sind bei den sehr begrenzten Platzverhältnissen im Fuß des Windrads ein großer Vorteil. Zwar wird die WISUS-48 beim Neubau mit dem Kran von oben in den Sockel gehoben, durch die Montage in einem Standard-19 Zoll Schrank lässt sie sich aber auch zur Nachrüstung durch die Tür im Fuß des Sockels transportieren.

Für schlechtes Wetter ausgelegt

Zudem hat Wöhrle Stromversorgungssysteme die komplette WISUS-48 Einheit für raue Umgebungsbedingungen ausgelegt. Alle Bauteile verkraften durch spezielle Beschichtung einen ausgeweiteten Temperatur -und Feuchtigkeitsbereich von -40 bis +60 Grad. Neben der größeren Unempfindlichkeit führt das auch dazu, dass keine energiefressende Heizung für die Elektronik notwendig ist. Das System liefert im Standardausbau 3x 400V. Die Außenleiter lassen sich aber je nach Anforderung einstellen. Zur Steuerung und zum Monitoring bietet Wöhrle Stromversorgungssysteme in der WiSUS-48 zahlreiche Schnittstellen an. Neben der grundsätzlichen Steuerung auf Zweidraht-Basis mit Relais verfügt die Notfallstromversorgung über eine Netzwerkschnittstelle mit TCP/IP-Stack. Ein eingebauter Webserver liefert über eine aussagekräftige GUI zahlreiche Betriebsdaten und kann auch weitere WISUS-48 Systeme verwalten.

Zusätzlich zu den Stellmotoren fordert der Gesetzgeber auch, dass die Gondel sowie die Rotorspitzen mit Beleuchtungseinrichtungen abgesichert werden, weil sonst tief fliegende Flugzeuge und Hubschrauber gefährdet wären. Am Tag erfolgt die Markierung in der Regel durch Farbe, für die Nachtkennzeichnung der Hindernisse ist ein Hindernisfeuer und/oder Gefahrenfeuer vorgesehen. Auch bei Stillstand des Rotors muss mindestens ein Feuer aus jeder Richtung sichtbar bleiben, was sich ebenfalls über die WISUS-48 absichern lässt. So senkt die spezialisierte Notfallstromversorgung die Kosten und Komplexität der Windkraftanlage.

Die WP-S ist ein skalierbares und flexibles, modulares dreiphasiges USV-System, das eine in seiner Klasse führende Verfügbarkeit und Effizienz kombiniert. Damit eignet sich dieser Typ perfekt für kleine und mittlere Rechenzentren. Doch nicht jede Anwendung erfordert eine modulare USV-Anlage und genau für solche Anwendungen wurde der Typ T entwickelt. Die WP-T verfügt über die gleiche innovative Technologie wie die WP-S, ist aber in einem kostengünstigeren, eigenständigen Gehäuse untergebracht.

Das heißt, wenn der Platz auf der Stellfläche begrenzt und das Budget ein wichtiger Faktor ist, müssen keine Kompromisse mehr bei der Leistung eingegangen werden. Die WP-T bietet maximale Leitung auf kleinstem Raum. Die 80-120 kW-Version bietet den Vorteil, dass sie ohne Abstand an der Wand platziert werden kann, da für die Wartung nur ein Zugang von vorne erforderlich ist. Das spart Platz und vereinfacht die Wartung. Insgesamt ist der Typ T der WP-Baureihe von 10 bis 120 kW erhältlich.

Die WP-T kann parallelgeschaltet werden, um entweder die Leistung zu erhöhen oder Redundanz zu bieten. Darüber hinaus minimiert der hohe Wirkungsgrad von 96,6 % im Doppelwandlermodus die Betriebskosten und reduziert die Gesamtkosten.

Interne Batterien sind für die Versionen von 10 bis 60 kW erhältlich, wodurch die Stellfläche reduziert wird und das System selbst in den kleinsten Serverraum passt. Die Flexibilität bei der Anzahl der Batterieblöcke (20 bis 50 x 12 V-Blöcke) ermöglicht es, die Kosten im Verhältnis zur Autonomiezeit ohne Leistungsminderung zu optimieren, und erlaubt die Aufrüstung der USV ohne Änderung der Batterieinstallation.

Die fortschrittliche Überwachung über Ethernet-Adapter, potenzialfreie Kontakte und serielle Schnittstellen ermöglicht die Fernsteuerung in Echtzeit und die frühzeitige Erkennung von Alarmen für eine schnelle Reaktion bei Stromausfällen oder reduzierter Batterieautonomie.

Weitere Informationen finden Sie unter: www.woehrle-svs.de/produkt/wp-serie-typ-t/

BETRIEBSKOSTEN UND CO₂-AUSSTOß SENKEN

VRLA-Batterien benötigen für einen optimalen Einsatz und Lebensdauer eine Umgebungstemperatur von 20 °C. Diese Temperatur zu halten oder herzustellen kann zu einer Herausforderung werden. Für jede 10 °C über der Empfehlung verkürzt sich die Lebensdauer einer VRLA-Batterie um die Hälfte. Li-Ion-Batterien reagieren auf Wärme oder Kälte nicht so empfindlich. Vor diesem Hintergrund wird diese Art Energiespeicher besonders für Rechenzentren interessant.

Die Ansprüche an die Umgebungstemperatur von Li-Ion-Batterien sind bescheidener im Vergleich zu Bleiakkus. Erhöhte Temperaturen haben wesentlich geringere Folgen für die Lebensdauer eines Li-Ion-Akkus. Wenn der Energiespeicher länger eingesetzt werden kann, hat dies Auswirkungen auf die Kostenstruktur. Rechenzentren können beispielsweise ganz oder im verringerten Maße auf eine Klimatisierung verzichten. Dadurch sinkt nicht nur der Stromverbrauch, sondern auch die Kosten und zugleich den CO₂-Ausstoß.

PLATZERSPARNIS DURCH LITHIUM BATTERIEN

Platzersparnis ist ein weiterer Vorteil der Li-Ion-Batterie. Für die meisten Rechenzentren ist Platzmangel kein Problem, um Blei-Säure-Batterien problemlos unterzubringen. Beim Ausbau kann der Platz jedoch zur Mangelware werden. Li-Ion-Batterien benötigen lediglich ein Drittel des Volumens eines entsprechenden VRLA-Blocks und wiegen nur ein Viertel davon. Diese Platzeinsparung bieten besonders kleinen, regionalen Edge-Rechenzentren einen entscheidenden Vorteil.

ABER SIND LITHIUM-IONEN-BATTERIEN NICHT TEUER?

Warum ist man nicht schon längst auf Li-Ion-Batterien gewechselt, wenn doch die Vorteile überwiegen? Bisher haben die hohen Anschaffungskosten gegen einen Wechsel gesprochen. Doch durch die Weiterentwicklung speziell in der Automobilbranche sind in den letzten Jahren die Preise deutlich gesunken. Zwar ist die Anschaffung einer Li-Ion-Batterie auch heute noch teurer als eine Blei-Säure-Batterie. Werden jedoch die doppelte Lebensdauer als auch die gesunkenen Energiekosten berücksichtigt, rentiert sich die Investition wieder. Im Vergleich werden auch auf 10 Jahre ausgelegte Blei-Säure-Batterien alle 7–8 Jahre ausgetauscht. Li-Ion-Batterien dagegen sind auf 13–15 Jahre ausgelegt. Entgegen des zu Beginn höheren Investments lohnt sich der Wechsel auf lange Sicht betrachtet.

IST DIE LI-ION TECHNOLOGIE AUCH SICHER?

Neben den Anschaffungskosten sprachen in der Vergangenheit auch Sicherheitsbedenken gegen den Wechsel. Inzwischen ist die Technologie jedoch vorangeschritten. Das Management und die Überprüfung der Li-Ion-Batterien wird mit der Norm IEC62619 abgedeckt. Diese wurde speziell auf die Kontrollsysteme bei industriellen Batterien ausgelegt und bereits vor über 2 Jahren eingeführt.

Li-Ion-Batterien sind anfälliger, bei hohen Temperaturen aufgrund von Überladung kann beim Ladevorgang Sauerstoff freigesetzt werden. Daher wird gemäß IEC62619 ein Batterie-Management-System (BMS) benötigt. Dieses verhindert, dass der organische Flüssigelektrolyt durch Über- oder Unterladung zu heiß wird. Das BMS gibt eine Warnung aus, wenn der sichere Spannungsbereich überschritten wird, und die kompatible USV-Anlage kann daraufhin reagieren. Wenn dies ignoriert wird, wird ein Alarm der 2. Stufe mit einem Schutzschalter verbunden, um ein weiteres Laden oder Entladen der Zelle zu verhindern. Diese doppelte Schutzstufe muss implementiert und getestet werden, um die Anforderungen der Norm IEC62619 zu erfüllen.

Jede Batterie, auch Blei-Säure-Batterien, stellen eine potenzielle Gefahr dar. Der richtige Umgang minimalisiert das Risiko aber. Die aktuelle Li-Ion Technologie ist inzwischen so sicher, dass diese in Rechenzentren und andere Einrichtungen, die zu den kritischen Infrastrukturen zählen, eingesetzt werden.

ARTEN VON LI-IONEN-BATTERIEN

Li-Ion-Batterien gibt es in verschiedenen Arten von Materialien, die gebräuchlichsten sind:

• NCM
• LCO
• LMO
• LFP

Das verwendete Material muss in jedem Aggregatzustand eine hohe Stabilität aufweisen. Das sicherste und zuverlässigste ist LFP, da bei der Zersetzung von LFP kein Sauerstoff freigesetzt wird, welches die Explosionsgefahr drastisch senkt.

WAS WIRD DIE ZUKUNFT BRINGEN?

Dass für USV-Anlagen in naher Zukunft vermehrt auf Lithium-Ionen-Batterien gesetzt wird, steht außer Frage. Als Grundlage muss jedoch eine Kompatibilität von USV-Anlage und Li-Ionen-Technologie dienen. Diese Kombinierbarkeit stellt die Wöhrle Stromversorgungssysteme GmbH sicher – unsere Technologie kann mit dem Batterieüberwachungssystem von Lithium-Ionen-Batterien kommunizieren.

Aktuell setzen vorrangig Entwicklungsländer wie Afrika oder der Nahe Osten auf Lithium-Ionen-Technologie bei USV-Systemen. Länder, in welchen das Hauptstromnetz weniger zuverlässig ist als in mitteleuropäischen Ländern. Durch ein unzuverlässiges Hauptstromnetz stehen Stromausfälle beinahe an der Tagesordnung. In diesen Fällen müssen USV-Systeme mehrmalig am Tag eingreifen, um eine unterbrechungsfreie Stromversorgung zu ermöglichen. Der vermehrte Einsatz belastet den Notstromspeicher von Li-Ionen-Batterien nicht zusätzlich. Diese Art von Batterien bewältigen den stetigen Ein- und Ausschaltzyklus wesentlich besser als die VRLA-Technologie.

Wöhrle stimmt seine Lithium-Ionen Energiespeicher perfekt auf seine USV-Anlagen ab. Nur so kann eine harmonische Einheit gebildet werden. Unsere Konstruktion ermöglicht eine unkomplizierte Einbindung in gängige Industrie- oder IT-Racks. Eine für den Kunden angepasste Speicherlösung kann individuell an jedes Bedürfnis angepasst und konfiguriert werden, sodass am Ende eine individuelle, exakt auf den Kunden maßgeschneiderte Lösung entsteht.

Bedeutung der Windenergie

Die Windenergie ist eine wichtige Säule der regenerativen Energiegewinnung und damit ein wichtiger Pfeiler zur Eindämmung der CO₂-Emissionen. Um das EU-Klimaziel – bis 2030 55 % Reduzierung der CO₂-Emission im Vergleich zu 1990 – zu erreichen, muss die fossile Energiegewinnung, z.B. durch Kohlekraftwerke, stillgelegt werden. Durch den stetig wachsenden Energiebedarf u.a. durch eine wachsende Anzahl an Rechenzentren, bedarf es große Anstrengungen komplett auf alternative Energiegewinnung zu umzusteigen.

Aufgrund der hohen Sicherheitsrisiken bei der Energiegewinnung und der ungeklärten Endlager-Frage für radioaktiven Abfall, stellt auch Atomenergie keine brauchbare Alternative dar. Folglich muss die Stromgewinnung fossil- und atomfrei erfolgen, um den Klimawandel konsequent aufzuhalten.

Windenergie als regenerative Energie spielt im Kampf gegen die Erderwärmung eine entscheidende Rolle. 2018 konnten bereits 62 Millionen Tonnen CO₂ durch die Nutzung von Windenergie eingespart werden.

Die Leistung eines Windrades ist stark vom Standort und Windaufkommen, sowie der Größe des der Windkraftanlage abhängig. Mit einer Nennleistung von 6 MW können theoretisch etwa 3.500 Haushalte ein Jahr mit Strom erzeugt werden. Ein modernes Windrad erzeugt gut 10.000 MW pro Jahr.

Bereits in den letzten Jahren hat die Stromerzeugung aus Windkraft stark zugenommen. 2020 erzeugten 31.000 Windenergieanlagen in Deutschland rund 134 Terawattstunden Strom. Dies entspricht einem Anteil von rund 23,7 % an der gesamten Bruttostromerzeugung. Mit einer installierten Leistung von rund 62 Gigawatt war Deutschland 2019 damit nach China und den USA weltweit auf Platz 3. Die steigende Bedeutung der Windkraft spiegelt sich auch am Umsatzvolumen wider. Im Jahr 2018 erwirtschafteten die deutschen Windenergieanlagenbauer knapp 13 Milliarden Euro Umsatz.

Die europäische Energiebranche will bis 2030 massiv in Windkraft investieren

Das Potenzial der erneuerbaren Energien ist noch lange nicht ausgeschöpft. Der Anteil an der Stromproduktion der regenerativen Energiequellen stieg in den letzten 10 Jahren bereits von knapp 20 % auf rund 40 %. Damit hat auch die Windenergie einen festen Platz bei der Stromgewinnung eingenommen. Doch um die Klimaziele auf EU-Ebene zu erreichen und eine zuverlässige Stromversorgung muss dieser Bereich weiterwachsen. Das Anziehen der EU-Ziele von ursprünglichen 40 % auf 55 % beschleunigt die Energiewende zusätzlich.

Konkret bedeutet dies, dass in diesem Jahrzehnt Europas Energiebranche kräftig in erneuerbare Energien investieren wird. Laut einer Analyse der Unternehmensberatung Kearney für das Handelsblatt lauert ein Investitionsvolumen von mindestens 650 Milliarden Euro in erneuerbaren Energien. Sofern die Rahmenbedingungen sich nicht ändern und sowohl Wind- als auch Solarenergie weiterhin gefördert werden, kann das Volumen sogar die eine Billion Euro sprengen.

Ein Großteil der Investitionen wird dabei in die Windenergie fließen. Bereits 2022 sollen etwa 90 Milliarden Euro in Europa in erneuerbare Energien investiert werden, davon allein 68 Milliarden Euro in Windenergie laut Handelsblatt Energiegipfel 2021.

Wirtschaftlichkeit der Windkraftanlagen und Ergänzung zur Solarenergie

Aktuell zählt Windkraft neben der Wasserkraft zu den effektivsten und günstigsten Methoden Strom aus erneuerbaren Quellen zu gewinnen. Der technische Fortschritt als auch die höheren Leistungen durch größere Rotorendurchmesser, sowie eine enorme Kostenreduktion in der Herstellung, machen Windkraft zu einem lukrativen und rentablen Geschäft. Windkraftanlagen haben im Vergleich zu Solaranlagen den Vorteil, dass sie auch nachts Strom liefern. Solar- und Windenergie ergänzen sich somit – bei schlechtem Wetter mit wenig Einspeisung durch Sonnenenergie gibt es meist mehr Wind. Ebenso kommt es an sonnigen Tagen durch die Temperaturunterschiede in den Abend- und Nachtstunden häufig zu Wind.  

Ausfälle sind teuer

Der Defekt oder Ausfall einer Windkraftanlage kann sehr schnell zu sehr hohen Kosten führen. Der Störfall wird meistens durch den Defekt eines elektrischen Bauteils oder einer Baugruppe verursacht. Die Stromversorgung der Steuer- und Überwachungselektronik ist aus diesem Grund von besonders großer Bedeutung und darf nicht anfällig sein.

Windräder stehen häufig abseits oder sogar Offshore. Ein Service-Einsatz im Meer oder in den Höhen führt schnell zu hohen Aufwänden – jeder Wartungseinsatz, insbesondere außerplanmäßige Einsätze, kosten viel Geld. Auch der Austausch von elektrischen Bauteilen gestaltet sich unter diesen Umständen als nicht einfach. Ein Stillstand der Anlage bedeutet zudem deutliche Verluste in der Einspeisung und im Ertrag der Betreiber.

Ertüchtigte Stromversorgungen von Wöhrle

Die Gleichspannungs- und Wechselspannungssysteme von Wöhrle werden nach den strengsten Kriterien entwickelt und gefertigt. Komplette und modulare unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme kombiniert mit langlebigen Batterien für die unterschiedlichsten Klimazonen und Umgebungen bilden ausfallsichere Stromversorgungseinheiten für die Windkraftindustrie. Nord-Skandinavien, Spanien oder Südafrika; bei Hitze und Kälte – Wöhrle verfügt über Erfahrung und Kompetenz, die zur Zuverlässigkeit von Windkraftanlagen im weltweiten Einsatz beiträgt. Ein detaillierter Bericht folgt im Verlauf des Jahres.

Fortschreitender Klimawandel und Temperaturanstieg

Der Klimawandel schreitet seit Jahren stetig voran. Seit Beginn der Industrialisierung wurden mehr als 2000 Gigatonnen – also 2.000 Milliarden Tonnen – Kohlendioxid (CO₂) freigesetzt. Die globale Durchschnittstemperatur ist dadurch um rund ein Grad Celsius angestiegen.

Dieser Anstieg innerhalb der kurzen Zeitspanne ist erheblich. Laut dem Pariser Klimaabkommen, zur Bekämpfung des Klimawandels, soll die Erderwärmung deutlich unter 2 Grad gehalten werden. Nach Möglichkeit soll eine Begrenzung auf 1,5 Grad angestrebt werden. Um dies zu erreichen, dürften eigentlich nur noch wenige Hundert Gigatonnen CO₂ freigesetzt werden. Mit Blick auf den bisherigen Verlauf gilt es als unwahrscheinlich, dass dies noch gelingt. In den letzten Jahren ist der CO₂-Ausstoß, getrieben durch die wachsende Weltbevölkerung und die wachsende Weltwirtschaft, von einem Rekord zum nächsten geeilt. Betrachtet man zusätzlich die weiteren Klimagase wie Methan und Lachgas, sind die Emissionen weitaus höher – und damit ist eher ein Temperaturanstieg auf 3 Grad und mehr zu befürchten.

Definition Klimabilanz:

„Klimabilanzen geben an, welcher Ausstoß von Kohlendioxid oder anderen Treibhausgasen auf bestimmte Aktivitäten zurückzuführen ist. Dies kann z.B. für Staaten geschehen: solche Länderbilanzen erfassen dann Emissionen auf dem jeweiligen Territorium aus Kraftwerken, dem Straßenverkehr, der Abholzung von Wäldern usw.“

Quelle: www.co2online.de

Klimaziele der EU-Kommission

Der Klimaplan der EU-Kommission beinhaltet unter anderem das Ziel, die CO₂-Emissionen bis 2030 gegenüber 1990 um 55 Prozent zu reduzieren. Fachleute äußern hierzu Bedenken: „Ein EU-Ziel von 55 Prozent für 2030 würde bedeuten, dass die Emissionen bis dahin noch einmal um etwa die doppelte Menge dessen reduziert werden müssten, was zwischen 2005 bis 2018 erreicht worden ist“, so Marc Oliver Bettzüge, Direktor des Energiewirtschaftlichen Instituts an der Uni Köln (EWI) gegenüber dem Handelsblatt.

Für eine Einschätzung, wie realistisch dieses 55 Prozent Ziel ist, hilft auch ein Blick auf die Entwicklungen der letzten Jahre: In den vergangenen 12 Jahren wurde erheblich in den Ausbau von Wind und Sonnenkraft-Anlagen investiert – was wurde dabei für den Klimaschutz in Deutschland erreicht? Das Ergebnis ist ernüchternd. Obwohl im Jahr 2019 bereits über 40 % des Stromes aus erneuerbaren Quellen stammte, ist der Ausstoß klimaschädlicher Gase seit 12 Jahren fast unverändert, abgesehen von kleinen wetter- und konjunkturbedingten Schwankungen.

Verankerte Transparenz im Pariser Abkommen

Um Transparenz herzustellen, verpflichteten sich die unterzeichnenden Staaten des Pariser Abkommens zu Regelungen über die Vorgehensweise zur Berichterstattung zu Treibhausgasemission, Klimaschutzmaßnahmen und Unterstützungsleistungen. Ziele des Transparenzrahmens sind es, ein klares Verständnis über die Maßnahmen zur Bewältigung der Klimaänderungen zu vermitteln und die gesteckten Ziele überprüfen zu können. Für die Berichterstattung in Deutschland und in der EU ergeben sich wesentliche Konsequenzen in Bezug auf die Verwendung von Treibhausgaspotenzialen der außer Kohlendioxid zu berichtenden Treibhausgase.

Konsequenzen für die Klimaberichterstattung in Deutschland:

Konzerne können CO₂-Neutralität vortäuschen – Von wegen klimaneutral!

Der Transparenzrahmen fördert und regelt damit die Berichterstattung. Auf der anderen Seite wollen viele Unternehmen ökologischer arbeiten und produzieren. Das erhöht die Gefahr für Greenwashing – denn viele rechnen ihre Klimabilanz schön. Mit dem Instrument „Klimabilanz“ soll gegenüber Kunden, Investoren und der Öffentlichkeit deutlich gemacht werden, welche Fortschritte ein Unternehmen bei der Vermeidung von Treibhausgas-Emissionen erzielt hat. Das Ergebnis der Klimabilanz hängt vor allem vom echten Energieverbrauch und von den hierfür anzulegenden Emissionsfaktoren für die einzelnen Energieträger ab. Ausländische Herkunftsnachweise für „Ökostrom“ schönen die Klimabilanz. Doch so werden die Klimaprobleme nicht gelöst, wie die folgende Auflistung zeigt:

• 2019 wurden in Deutschland mehr als 100 Milliarden Kilowattstunden (TWh) „Ökostrom“ gehandelt.
• Laut der AIB (Association of Issuing Bodies) wurden 2019 von den 100 Milliarden Kilowattstunden Herkunftsnachweise (HKN) mehr als 96 Milliarden aus dem Ausland importiert. Diese Herkunftsnachweise werden meist getrennt von der tatsächlichen Stromlieferung gehandelt.
• Der tatsächlich erzeugte Ökostrom selbst – in dem Fall die 96 Milliarden Kilowattstunden – geht im jeweiligen Heimatland in den Vertrieb. Dabei handelt es sich überwiegend um Bestandskraftwerke und vor allem um Wasserkraft – das sind Anlagen, die häufig Jahrzehnte alt sind.

Vor diesem Hintergrund stellt sich die Frage, inwiefern Klimabilanzen ein geeigneter Anreiz für Unternehmen sind, ökologisch sinnvolle Entscheidungen im Bereich ihres Stromverbrauchs zu treffen und zu einer dauerhaften Emissionsreduktion beizutragen.

CO₂ Emissionen wirklich senken

Ein Beitrag zur dauerhaften Senkung der Emissionsreduktionen ist der Einsatz effizienter, stromsparender Technologien. So steigt z.B. der Stromverbrauch von digitalen Infrastrukturen in den letzten Jahren rasant an. Das Borderstep Institut in Berlin veröffentlicht regelmäßig Statistiken über den Stromverbrauch von digitalen Infrastrukturen:

Hier wird ersichtlich, dass der Bereich USV in Rechenzentren zwar effizienter geworden ist, die Verlustleistungen jedoch immer noch erheblich sind. Mit einem USV-Eigenverbrauch von 2 TWh pro Jahr haben wir nach wie vor Handlungsbedarf. Mit dem Einsatz moderner, modularer USV-Anlagen kann ein Schritt in Richtung sinkender CO₂-Emissionen gemacht werden. Energieeffiziente USV-Systeme wie die Anlagen von Huawei tragen dazu bei, den Energiebedarf digitaler Infrastrukturen zu senken, und können ältere Anlagen mit hohem Stromverbrauch ersetzen. Durch hohe Wirkungsgrade bis zu 97%, einen geringen Energieverbrauch, und eine maximale Leistung bei geringen Betriebskosten leisten Sie einen wichtigen Beitrag, um die Klimabilanz wirklich zu verbessern.

Quellen:

https://www.faz.net/aktuell/wirtschaft/klima-energie-und-umwelt/kohle-oel-und-gas-das-sind-die-treiber-des-klimawandels-17066648.html

https://www.handelsblatt.com/politik/deutschland/green-deal-erhoehung-der-eu-klimaziele-bundestagsfraktion-stellt-sich-gegen-merkel/25813342.html?ticket=ST-14778533-mgebeLSrwNVP3tLYeDcy-ap1

https://www.physi.uni-heidelberg.de/~dubbers/energiewende/text.pdf

https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/479/publikationen/texte_77-2020_transparenzsystem_endbericht_final_clean_20191120.pdf

https://www.faz.net/aktuell/wirtschaft/co2-kompensation-warnung-vor-einem-markt-fuer-greenwashing-17194792.html#:~:text=Alle%20Unternehmen%20wollen%20gr%C3%BCner%20werden,einem%20gigantischen%20Markt%20f%C3%BCr%20Greenwashing.&text=Um%20mehr%20als%20ein%20Drittel,nach%20oben%20geschnellt%2C%20sagt%20Lehmkuhl.

https://www.bundesnetzagentur.de/…

https://www.klimareporter.de/…

Energiewirtschaftliche Tagesfragen 66. Jg (2016) Heft 6  Herausforderungen bei der Abrechnung von erneuerbarem Strombezug in Klimabilanzen

Mit dem VAP-Status und als größter USV-Partner von Huawei in Deutschland hat das Steinenbronner Unternehmen einen zusätzlichen Impuls ausgelöst, um die hohe Servicequalität des deutschen Marktes zu wahren und seine Vision für Europa in Zukunft noch weiter auszubauen. Zudem wird Wöhrle auf ein deutlich breiteres Produktspektrum zugreifen und dadurch völlig neue Märkte bedienen können. Darunter DC-USV-Produkte in höheren Leistungsbereichen, die mit ihrem hohen Wirkungsgrad besonders in Hinblick auf das Zukunftsthema Regenerative Energien einen maßgeblichen Stellenwert einnehmen werden. Ein weiteres Geschäftsfeld sind Micro-Grid-Systeme, mit denen sich er­neuerbare Energien effizient, kostensparend und ausfallsicher nutzen lassen – beispielsweise in Solarpanelfeldern, Elektroladesäulen oder Rechenzentren.

Neben einer fairen und offenen Partnerschaft schätzt Geschäftsführer Uwe Wöhrle besonders die hohe Expertise des chinesischen Weltunternehmens: „Huawei arbeitet mit einer immensen Manpower und Geschwindigkeit an der Entwicklung von High-End-Produkten, die weltweit an der Spitze der Technologie sind. Diese Philosophie deckt sich zu 100 % mit unseren Ansprüchen.“ Die Partnerschaft mit Huawei bietet somit eine adäquate Basis, um modernste Anlagen abgestimmt auf die unterschiedlichen Ansprüche der Kunden anbieten zu können. Das stärkt Wöhrle in seiner strategischen Ausrichtung, europaweit eine Vielzahl an individuellen Lösungen auf höchstem Niveau zu bieten.

Dass ein mittelständisches Unternehmen mit 60 Mitarbeitern auf diese Weise von einem Weltkonzern wie Huawei unterstützt wird, bezeichnet Wöhrle als außergewöhnlich und als „Zusammenspiel auf Augenhöhe.“ Gleichzeitig ist es dem Unternehmer wichtig, seine Unabhängigkeit zu wahren. So arbeitet Wöhrle mit weiteren leistungsstarken Anbietern zusammen, zum Beispiel mit der Schweizer Firma Centiel.

Auf diese Weise möchte das mittelständische Unternehmen kontinuierlich weiterwachsen und sich künftig noch stärker in ganz Europa einbringen – mit intelligenten Stromversorgungssystemen sowie Service- und Supportleistungen, die weit über die branchenüblichen Leistungen hinausgehen.

Lithium ist heutzutage in aller Munde.

Doch eignen sich Lithium-Energiespeicher auch in Verbindung mit unterbrechungsfreien Stromversorgungen? Laufen sie eventuell sogar den Blei-Akkus den Rang ab?

Stromversorgungs-Experte Dietmar Ruscher, Prokurist bei der Wöhrle Stromversorgungssysteme GmbH, schätzt die Lage ein:

Herr Ruscher, Lithium-Ionen Energiespeicher überrollen den Markt. War es das jetzt mit dem Bleiakku?

Ruscher: Nun ja, Totgesagte leben am längsten, wie wir wissen. Aber ganz im Ernst, die mittlerweile breite Auswahl von Li-Ion Batterien für industrielle Anwendungen, wie eine unterbrechungsfreie Stromversorgung, ist zwar erfreulich, aber noch lange kein Abgesang auf den Bleiakku. Die beiden Technologien überlappen im Moment nur in Teilbereichen, nach wie vor muss man die Anwendungsfälle genau betrachten.

Aber hat die neue Generation von Li-Ion Akkus nicht deutliche Vorteile hinsichtlich Energiedichte, Lebensdauer und Temperaturstabilität?

Ruscher: Doch, das stimmt, wenn man die Werte an sich nimmt. Verstehen Sie mich nicht falsch, moderne Li-Ion Energiespeicher geben dem Bereich unterbrechungsfreie Stromversorgungen dringend benötigte Innovationsimpulse. Wir wären ein schlechter Hersteller, wenn wir diese Technologie nicht genau bewerten und in aktuellen Produkten verbauen würden. Wenn sie die richtige Anwendung haben, sind die Eckdaten von Li-Ion Akkus nicht zu schlagen.

Was könnte so eine Anwendung sein?

Ruscher: Es geht um den Anwendungsfall, nicht nur um die Anwendung an sich. Eine USV in einem Rechenzentrum lässt sich je nach Anwendungsfall optimal mit Blei oder eben mit Li-Ion betreiben. Ein RZ kann beispielsweise in einem sehr beengten Gebäude aufgebaut sein, wo jeder Quadratmeter Platz sehr teuer ist. Dort hat Li-Ion Vorteile, weil die Energiedichte höher ist. Zudem benötigt Li-Ion wegen der nicht vorhandenen Ausgasung keinen eigenen belüfteten Batterieraum. Auch das spart Platz und damit Kosten. Spielt der Platzbedarf hingegen keine Rolle, sind Bleiakkus im Rechenzentrum häufig die bessere Wahl.

Gibt es weitere Anwendungsfälle, in denen Li-Ion die Nase vorn hat?

Ruscher: Ich denke, neben der höheren Energiedichte ist die Zyklenfestigkeit der zweite wesentliche Pluspunkt von Li-Ion. Sie liegt mindestens um den Faktor 10 über der eines Standard-Bleiakkus. Das ist immer dann wichtig, wenn die Spannung häufiger aus dem Toleranzbereich fällt und die USV puffern muss. Solche Situationen finden Sie in Ländern mit weniger ausgereiften Stromnetzen. Oder wenn in einer Region sehr viel gebaut und die Netzversorgung häufig abgestellt wird. Auch der gesamte Bereich Home-Grid stellt hohe Anforderungen an die Zyklenfestigkeit. Dort wird ein Akku täglich be- und entladen.

Es gibt aber auch spezielle Industrieanwendungen, die mit Li-Ion deutlich besser und effizienter betreibbar sind als mit Blei. Wir bieten beispielsweise USV-Systeme für den Einsatz zum Peak-Shaving an. Dabei werden Lastspitzen abgefangen, die sonst zu erhöhten Bereitstellungsentgelten des Stromversorgers führen würden. Solche Spitzen fallen in der Regel täglich an, ein Bleiakku erreicht damit sehr bald das Ende seiner Lebensdauer. Li-Ion Akkus hingegen halten deutlich länger, verursachen dadurch weniger Wartungs- und, auf die Gesamtlaufzeit gesehen, weniger Gesamtkosten.

Stichwort Kosten. Im Vergleich mit Bleiakkus wurden immer die höheren Kosten von Li-Ion genannt. Nähern sich die beiden Technologien in dieser Hinsicht allmählich an?

Ruscher: Also, der Kaufpreis eines Li-Ion Akkus ist höher als der eines Bleiakkus, und das wird auch auf absehbare Zeit so bleiben. Aber das heißt nicht, dass die resultierende Lösung teurer ist, schon gar nicht auf die Lebensdauer gesehen. Wie schon angesprochen, ist die Lebensdauer der Li-Ion Akkus deutlich höher als die von vergleichbaren Bleiakkus. Selbst wenn man Reinblei-Akkus mit theoretisch 15 Jahren Lebensdauer nutzt, ist die erzielbare Lebensdauer deutlich niedriger. Und das gilt für optimale Bedingungen hinsichtlich Temperatur und Ladezyklen. Ein Li-Ion Akku ist bei den Ansprüchen an die Temperatur moderater, die Folgen für die Lebensdauer sind deutlich geringer. Es verändert die Kostenstruktur der Lösung schon deutlich, wenn die Energiespeicher länger optimal nutzbar bleiben.

Dann ist die Kostenbetrachtung nur auf die Gesamtlebensdauer der Lösung sinnvoll?

Ruscher: Ja, absolut. Und sie dürfen auch nicht vergessen, dass in einem Li-Ion Akkumulator auch immer ein Batterie-Managementsystem eingebaut ist. Das geht gar nicht anders, weil die Zellen viel empfindlicher auf Überladung reagieren. Mit dem BMS wird sichergestellt, dass zu jeder Zeit optimale Bedingungen für die Zelle herrschen. Drüber hinaus liefert das BMS eine Vielzahl von sehr wichtigen Daten, um beispielsweise proaktiv einzugreifen, wenn sich Parameter verschlechtern. Für Bleiakkus gibt es zwar auch BMS, die werden aber fast nie verbaut. Damit ist ein Vergleich der beiden Akku-Technologien auf Ebene der einzelnen Zellen in punkto Kosten ohnehin nicht zielführend.

Sie hatten es gerade angesprochen, das Thema Sicherheit spielt bei Li-Ion Akkus eine ganz andere Rolle als bei Blei. Das Gefahrenpotential gilt als deutlich höher. Ist das immer noch so?

Ruscher: Ja und Nein. Zunächst müssen wir die Lithium-Ionen-Technologie differenzierter betrachten. Wir haben bisher immer von Li-Ion gesprochen, ohne auf die tatsächlich verwendeten Materialien einzugehen. Häufig wird Lithium mit Mangan als Kathode kombiniert. Das ergibt relativ leichte Zellen, die auch im Automobilbereich verwendet werden. Deren Nachteil ist aber eine heftige Reaktion bei Beschädigung. Eisenphosphat hat dagegen sehr ähnliche Speichereigenschaften bei etwas höherem Gewicht, reagiert bei Beschädigungen aber viel weniger aggressiv. Auch wenn ein Nageltest nicht die absolute Aussagekraft hat, zeigt er doch, wie unterschiedlich die beiden Material-Kombos reagieren.

Beim Nageltest wird die Zellenwand mit einem Stahlnagel durchschlagen?

Ruscher: Korrekt. Und im Gegensatz zu den Lithium-Mangan-Zellen, die beim Nageltest praktisch immer mit Qualm und Flammen reagieren, treten bei Lithium-Eisenphosphat nur Gase aus.

Heißt das, dass es bald eine VDS-Zulassung für Lithium-Ionen-Zellen geben wird?

Ruscher: Ich bin absolut der Meinung, dass die Hersteller von Li-Ion Blöcken eine solche Zertifizierung anstreben sollten. Aber meiner Ansicht nach sollte man nicht so bald mit einer Zulassung rechnen, der Aufwand dafür ist sehr hoch.

Auch wenn die Lebensdauer der Li-Ion Zellen sehr hoch ist, verglichen mit einem Blei-Akku, irgendwann erreicht sie doch das Ende ihrer Einsatzdauer. Und dann sieht es, wie viele Kritiker sagen, schlecht aus, wenn es um das Recycling geht.

Ruscher: Im Moment ist das Recycling von Bleiakkus viel einfacher, ganz klar. Das liegt aber daran, dass wir viele Jahre Erfahrung damit haben, Bleiakkus werden seit einem halben Jahrhundert wiederaufbereitet. Und selbst bei Blei hat es lange gedauert, bis ein wirtschaftlich sinnvolles Recyclingmodell entstand. Bei Li-Ion fehlen die Erfahrung, die Infrastruktur und das komplette Ökosystem, das entsteht gerade. Aber klar ist auch: Die Li-Ion Zellen sind so wertvoll, wir können es uns gar nicht leisten, auf deren Recycling zu verzichten. Darum wird es auch funktionierende Recyclingmodelle geben.

Sie zeichnen ein gemischtes Bild der Li-Ion Technologie. Technisch überlegen, aber nicht immer, teurer, aber nicht auf die Gesamtlaufzeit gesehen, sicher, wenn der richtige Materialmix genutzt wird. Wie sieht Ihrer Ansicht nach die Zukunft der Energiespeicher konkret aus?

Ruscher: Ich würde eher den Begriff „anwendungsbezogen“ anstelle von „gemischt“ verwenden. Wenn sie eine passende Anwendung haben, ist Li-Ion die perfekte Technologie, auch heute schon. Li-Ion ist marktreif und verfügbar, nicht nur wir bieten Lösungen mit Li-Ion an, andere Hersteller tun es auch. Um herauszufinden, ob Blei oder Li-Ion der richtige Energiespeicher ist, müssen Sie Ihren Einsatzfall genau kennen und analysieren, am besten mit einem Partner zusammen, der genau weiß, was mit welchem Aufwand machbar ist. Sie werden überrascht sein, wie oft die Wirtschaftlichkeit für Lithium-Ionen Technologie spricht.

Über Dietmar Ruscher

Dietmar Ruscher, Prokurist bei der Wöhrle Stromversorgungssysteme GmbH, ist seit über 30 Jahren bei Wöhrle tätig und hatte hier bis April 2020 die Position als technischer Leiter inne. Nachdem er diese Position an seinen Nachfolger Herrn Markus Steiner übergeben hat, steht er Wöhrle und den Kunden mit seiner jahrelangen Erfahrung und Expertise weiterhin mit Rat und Tat zur Seite.

Alte Technologie, neue Anwendungen

Superkondensatoren, auch Ultrakondensatoren genannt, sind elektrochemische Kondensatoren und als solche eine Weiterentwicklung der in der Elektronik üblichen Doppelschichtkondensatoren. Im Vergleich zu Akkumulatoren gleichen Gewichts weisen Superkondensatoren nur etwa 10 % von deren Energiedichte auf, allerdings ist ihre Leistungsdichte etwa 10- bis 100-mal so groß. Superkondensatoren können deshalb sehr viel schneller ge- und entladen werden. Sie überstehen außerdem sehr viel mehr Lade- und Entladezyklen als Akkus und eignen sich deshalb als deren Ersatz oder Ergänzung, wenn eine große Zyklenzahl erforderlich ist wird.
Das Einsatzgebiet von Superkondensatoren reicht von der Bereitstellung kleinster Ströme zum Datenerhalt von statischen Speichern (SRAM) in elektronischen Geräten bis in den Bereich der Leistungselektronik. So werden Supercaps zum Beispiel als Energiespeicher im KERS-System von Formel-1-Rennwagen oder bei der Nutzbremsung von Bussen und Bahnen eingesetzt. Wichtig ist, den richtigen Einsatzbereich auszuwählen. Einen Supercap für längere Überbrückungszeiten im Bereich mehrerer Minuten zu verwenden, ist aus Kostengründen uninteressant. Preislich liegt ein hochwertiger Bleiakku bei diesem Einsatzzweck um den Faktor 5 bis 10 niedriger. Allerdings lassen sich Supercaps fast unbegrenzt oft aufladen, die Größenordnung liegt bei etwa einer Million Ladezyklen. Zudem geben sie durch ihren außergewöhnlich niedrigen Innenwiderstand hohe Ströme in sehr kurzer Zeit ab. Damit sind sie für zyklisch genutzte Anwendungen, die im Bereich einiger Sekunden extreme Leistungen abfordern, eine bessere Wahl als jede Batterietechnologie.

Anwendungsfall Peak-Shaving

Ein solcher Anwendungsfall findet sich im Umfeld des Energiemanagements, beim so genannten Peak-Shaving. Dabei versuchen Industriekunden den vereinbarten maximalen Stromverbrauch nie, nicht einmal für sehr kurze Zeit zu überschreiten, weil dadurch die Bereitstellungsgebühr dramatisch ansteigt. Den meisten Unternehmen ist die Abhängigkeit der Kosten von Lastspitzen bewusst, sie haben aber keine Möglichkeiten dagegen vorzugehen. Der Stromverbrauch eines industriellen Betriebs lässt sich nur in Maßen anpassen, vor allem nicht auf die Schnelle. Ein gangbarer Weg setzt auf Supercaps in Verbindung mit einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV). In diesem Fall übernimmt die USV die Versorgung der Last, wenn der Energiebedarf über das erlaubte Maximum steigt. Solche Systeme sind schon heute im Einsatz, sie nutzen in der Regel aber Akkus. Aufgrund der begrenzten Ladezyklen kann die Anlage aber nicht so effektiv wirken oder der Anwender muss mit einem hohen Verschleiß der Akkus rechnen. Nutzt man hingegen Supercaps spielt diese Limitierung keine Rolle. Dann kann eine unerwünschte Spitzenlast auch für wenige Sekunden abgefangen werden, was im industriellen Einsatz häufig zutrifft. Dazu kommt, dass die Lebensdauer der Supercaps deutlich höher ist als bei Akku-Technologien. Selbst bei 40 Grad Celsius Umgebungstemperatur liegt sie noch im Bereich von 8 bis 10 Jahren. Ein Standard-Bleiakku hätte schon bei dieser Temperatur nur noch ein Viertel seiner regulären Lebensdauer.

Sehr viel Strom in sehr kurzer Zeit

Aufgrund des niedrigen Innenwiderstands liefern Supercaps extrem hohe Leistungen. Eine entsprechende, auf Peak-Shaving ausgelegte USV von Wöhrle Stromversorgungssysteme schafft beispielsweise bis zu 2,4 MW (ca. 4 kA) für eine Sekunde. Mit niedrigeren Abgabeleistungen sind auch wesentlich längere Überbrückungszeiten machbar. Durch die inzwischen verfügbaren Supercaps in Blockbauweise ist die Integration in Standardprodukte problemlos und schnell möglich. Das führt zu kostengünstigen Produkten wie die Supercaps-USV von Wöhrle Stromversorgungssysteme, die auch in anspruchsvollen Umgebungen einsetzbar sind. Weil Supercaps nicht ausgasen wie Bleiakkus, benötigt ihr Gehäuse keinen Luftaustausch. Sie lassen sich in einem komplett gekapselten Rack verbauen, mit dem Schutzklassen von IP67 realisierbar sind. Ein weiterer Vorteil im praktischen Einsatz ist die Unempfindlichkeit gegen Tiefentladung, was bei Bleiakkus in der Regel zu irreparablen Schäden führt. Daraus leitet sich ein zusätzlicher, nicht zu vernachlässigender, Faktor ab: Supercaps können komplett entladen verschickt und verbaut werden. Transport und Handhabung werden dadurch sehr viel sicherer und unkomplizierter.
Die spezifischen Vorteile von Supercaps eignen sie perfekt für unterbrechungsfreie Stromversorgungen im Industrieumfeld. Industriekunden stellen andere Anforderungen an eine USV als in der klassischen IT. Hier geht es nicht darum einen Server für die Dauer des Stromausfalls weiter zu betreiben, sondern einen geordneten Shut-Down der Produktionsanlage zu erreichen. CNC-Bearbeitungszentren benötigen zu viel Strom, als dass sie während eines längeren Ausfalls weiter betrieben werden könnten. Wichtig ist, das Werkzeug aus dem Werkstück zu entfernen, weil das Beschädigungen an den häufig viele Zehntausend Euro teuren Werkzeugen verhindert. Die zweite Aufgabe ist, alle Positionsdaten zu speichern und danach einen gesteuerten Shut-Down einzuleiten. So kann die Produktion nach der Rückkehr des Stroms nahtlos wieder aufgenommen werden. Solche USVs müssen nahe am Verbraucher aufgebaut sein und sind daher den rauen Umgebungsbedingungen der Produktionshalle ausgesetzt. Unempfindliche Energiespeicher wie Supercaps helfen dabei, die Kosten für das Gehäuse niedrig zu halten und die Verfügbarkeit der USV sicherzustellen. Auch hier ist die Leistungsabgabe für einige Sekunden bis zu zwei Minuten extrem hoch, was von Supercaps deutlich besser verkraftet wird, als von Akku-Technologien.

Redundante Versorgung durch modularen Ansatz

Die Supercap-USV von Wöhrle Stromversorgungssysteme nutzt dafür vier Leistungsmodule mit je 25 kW Kapazität, die in einer n+1 Konfiguration 75 kW Nutzlast redundant versorgen können. Die USV ist in einem Staub- und Spritzwassergeschützten Rittal-Schrank verbaut und verwendet acht in Reihe geschaltete Supercap-Blöcke von Skeleton Technologies. Diese Blöcke haben je 177 Farad Kapazität (216 kW) und liefern bei 51 Volt Nennspannung einen Spitzenstrom von 2,6 kA für eine Sekunde. Als Ergebnis kann die USV Standard-Industrielasten mit 400 V versorgen. Sollten längere Überbrückungszeiten oder höhere Ströme nötig werden, lassen sich zusätzliche Speicher in einem externen Schrank unterbringen. Wichtig ist, dass der Hersteller der USV das Zellenmanagement berücksichtigt und in seinem Betriebskonzept umsetzt. Dazu hat jeder Supercap-Block einen CAN-Bus Kommunikationsanschluss, der den Zugriff für das Lademanagement erlaubt.

Supercaps als sinnvolle Alternative

Supercaps haben einen Reifegrad erreicht, der den Einsatz in sehr anspruchsvollen Einsatzszenarien erlaubt. Mit ihren spezifischen Vorteilen bei Zyklenfestigkeit und Stromabgabe sind sie Akku-Technologien weit überlegen und erzielen, korrekte Planung des Einsatzfalles, deutlich bessere Leistungen als Blei- oder Li-Ionen-Akkus. Besonders im industriellen Umfeld können Supercaps eine sinnvolle Alternative zu herkömmlichen Energiespeichern sein. Wichtig ist, dass die Hersteller ihre Produkte optimal auf die spezifischen Möglichkeiten der Supercaps abgestimmt haben und der Leistungsteil des Gesamtsystems den extremen Strömen standhält. Dazu gilt: Unabhängig vom verwendeten Energiespeicher müssen Redundanz und Verfügbarkeit durch entsprechende Maßnahmen wie Modularität gewährleistet sein.