Grundlagen der USV-Technik - Teil 2
Die Batterie als Kernstück der USV
Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USVs) kommen in unterschiedlichen Umgebungen zum Einsatz und schützen die angeschlossenen Verbraucher vor Schäden durch Spannungsschwankungen oder Stromausfälle. Doch gleichgültig, ob sie in Büros, Rechenzentren oder Automationsbetrieben arbeiten, die Geräte sind stets darauf angewiesen, dass ihre sensibelsten Bestandteile einwandfrei funktionieren: die Batterien. Für die Sicherheit des IT-Systems ist daher die richtige Behandlung und fachgerechte Wartung der Akkumulatoren ein entscheidendes Kriterium.Um eine störungsfreie Stromversorgung bei Netzausfall oder Netzschwankungen zu gewährleisten, greifen USV-Anlagen auf einen Batteriepuffer zurück. Dieser ist in der Regel so dimensioniert, dass er die angeschlossenen Verbraucher während eines Stromausfalls etwa fünf bis zwanzig Minuten lang weiterhin mit Strom versorgt - abhängig vom Bedarf auch länger. Dadurch lassen sich Server und Workstations auch bei einem Stromausfall ordnungsgemäß herunterfahren und Datenverlust sowie Systeminkonsistenz unterbinden. Für gewöhnlich kommen in USV-Systemen ventilregulierte Blei-Akkumulatoren (VRLA) zum Einsatz, die auch als gekapselte Batterien bekannt sind. Bei diesen sorgt ein abgedichtetes Polypropylengehäuse gemeinsam mit einem eingedickten Elektrolytgel dafür, dass Batterieflüssigkeit weder auslaufen, noch überschwappen kann. Eine weitere Variante stellen die sogenannten VRLA-AGM-Batterien (Absorbent Glass Mat) dar, bei denen das schwefelsäurehaltige Elektrolyt in einem Glasfaservlies gebunden ist. Die AGM-Technik verhindert den Verlust selbst kleinster Tropfmengen und sorgt dafür, dass sich die Akkumulatoren in jeder beliebigen Position betreiben lassen: horizontal, vertikal oder auf dem Kopf. Durch den Einbau dünnerer Bleiplatten haben AGM-Batterien zudem den Vorteil, dass sie einen geringeren Innenwiderstand aufweisen. Sie können dadurch nicht nur schneller geladen werden, sondern stellen auch größere Entladungsströme zur Verfügung. Aufgrund dieser Hochstromfähigkeit eignen sich AGM-Modelle besonders gut für Verbraucher, die einen beträchtlichen Strombedarf aufweisen. Generell unterscheiden Techniker die VRLAs nach Eurobat-Norm in vier Kategorien: Standard Commercial, General Purpose, High Performance und Long Life. Im USV-Umfeld kommen vor allem Batterien der Klassifizierungsstufen Standard Commercial und High Performance zum Einsatz, die auch Fünf- beziehungsweise Zehn-Jahres-Batterien heißen. Die Fünf-Jahres-Batterien genügen dabei den Ansprüchen von Endverbrauchern, während die Zehn-Jahres-Batterien sich durch höhere Sicherheitsstandards und größere Leistungsfähigkeit vor allem für den Schutz empfindlicher IT-Systeme anbieten. In besonders in sensiblen Bereichen arbeiten je nach Bedarf auch Long-Life-Batterien mit einer Lebenserwartung von über zwölf Jahren. Allen Bleiakkumulatoren ist gemein, dass durch elektrochemische Prozesse während des Entladevorgangs Sauerstoff an der positiven Elektrode und Wasserstoff an der negativen Elektrode entsteht. Bei herkömmlichen Bleibatterien gelangen diese Gase an die Umgebung und verdampfen. Im Gegensatz dazu wird der Sauerstoff bei VRLAs innerhalb des Gehäuses zurückgeführt und rekombiniert bei Wiederaufladung der Batterie mit dem Wasserstoff an der negativen Elektrode zu Wasser; ein Nachfüllen von Flüssigkeit entfällt damit. Ventilregulierte Akkumulatoren tragen deshalb auch die Bezeichnung "wartungsfreie Batterien". Doch Achtung: Sonstige Risiken wie Korrosionsschäden oder lockere Verbindungselemente am Batteriestrang können durchaus auftreten. Eine sorgfältige Kontrolle und Wartung der Akkumulatoren gehört auch in diesem Fall zum Pflichtprogramm. Schließlich stellt mangelnde Wartung - neben zu hoher Umgebungstemperatur und unbeachteten Alterungsprozessen - eine der häufigsten Ursachen für das Versagen von USV-Batterien dar. Für die Lebenserwartung der Batterien ist insbesondere die Temperatur wichtig. Größtmögliche Nutzungsdauer bieten VRLAs zwischen 20°C und 25°C. Sind sie höheren Temperaturen ausgesetzt, steigt die Verdampfungsrate und die überschüssigen Gase müssen über das Ventil entweichen. Der dadurch provozierte Flüssigkeitsverlust führt zu einer Reduzierung der Batterielaufzeit und bei wiederholter "Entlüftung" droht gar ein Totalausfall der Akkumulatoren durch Austrocknen des Elektrolyten. Als Faustregel gilt, dass sich bei einem Temperaturanstieg von acht Grad die Batterielaufzeit jeweils halbiert. Doch nicht nur Temperaturunterschiede wirken sich auf die Batteriekapazität aus. So ist bereits bei der Berechnung der erforderlichen Kapazität auch der sogenannte Peukert-Effekt zu berücksichtigen. Dieser sagt aus, dass eine Batterie umso weniger elektrische Energie zur Verfügung stellt, je höher der anliegende Entladestrom ist. Dies hat zur Folge, dass beispielsweise eine Batterie mit 100 Amperestunden Kapazität einen Entladestrom von fünf Ampere für 20 Stunden lang stützen kann, aber nicht in der Lage ist, einen Strom von 100 Ampere für eine Stunde zu stemmen. Eine genaue Analyse der Verbraucher und ihres Strombedarfs muss somit von Anfang an erfolgen, um die Dimensionierung anzupassen. Das entscheidende Kriterium dafür, wie gut die Batterie hohe Stromflüsse bewältigt, ist ihr Leistungsfaktor, der sich zwischen 1,05 und 2 bewegt. Je niedriger der Wert, desto höher die mögliche Leistungsaufnahme. Im Laufe der Zeit kommt es zu weiteren Einbußen der Batteriekapazität. Verantwortlich dafür sind unter anderem die Anzahl der Ladezyklen und natürliche Abnutzungserscheinungen wie die Korrosion der Bleigitter. Da bei der Aufladung eines Akkumulators nur rund 98 Prozent des bei der Entladung entstandenen Wasser- und Sauerstoffs zu Wasser rekombinieren können, reduziert sich die Nennkapazität eines Akkumulators mit jedem Ladezyklus. Zwar sind Batterien für mehr als 100 Entladungen ausgelegt, de facto zeigen jedoch viele bereits nach zehn Entladungsvorgängen einen ersten Kapazitätsverlust. Die elektrochemischen Prozesse, die bei Auf- und Entladung auftreten, führen zusätzlich dazu, dass sich das Blei aus den Gitterplatten zu Bleidioxid wandelt. Diesen Effekt bezeichnet man als Korrosion. Weil Bleidioxid jedoch ein deutlich poröseres und schwereres Material darstellt als normales Blei, droht letztlich der Zusammenbruch des gesamten Gittergefüges und damit das Lebensende des Akkumulators. Längeres Batterieleben durch intelligentes Batterie-Management Eine ständig anliegende Erhaltungsladung beschleunigt die Korrosionserscheinungen maßgeblich. Um diesen Prozess zu verlangsamen, bieten einige USV-Hersteller intelligente Ladetechniken an, beispielsweise Eaton das "Advanced Battery Management" (ABM). Das Lade-Management sorgt dafür, dass die Batterie schonend und nur bei Bedarf auflädt, wodurch sich ihre Lebenserwartung deutlich verlängert. Denn dank des intelligenten Lade-Managements verbringen die Akkumulatoren den Großteil der Betriebszeit in einem Ruhezustand, ohne dass eine Erhaltungsladung anliegt. Das Besondere: ABM arbeitet mit drei wechselnden, algorithmisch gesteuerten Betriebsarten der Batteriespannung. Steht das Laden einer ganz- oder teilentladenen Batterie an, kommt zunächst ein konstanter Ladestrom zum Einsatz, dessen Spannung variiert. Sobald die Batteriespannung die vorgegebene Ladespannung erreicht, wechselt das Ladegerät zu einer Erhaltungsladung mit niedrigerer Spannung über. Diese wird für 48 Stunden beibehalten und verlängert sich um die Zeit, die anfangs benötigt wurde um die geforderte Ladespannung zu erreichen. Anschließend unterbricht der Ladevorgang für einen Zeitraum von maximal 28 Tagen komplett. In den ersten zehn Tagen dieser Ruhephase erfolgt eine Kontinuierliche Überwachung der Batteriespannung. Fällt sie während dieser Zeit unter den Grenzwert von 2,1 V pro Zelle, beginnt der Ladebetrieb automatisch wieder, und eine Fehlermeldung erscheint. Durch die laufende Überwachung erkennt das ABM Unregelmäßigkeiten des Batteriezustandes sofort und gibt entsprechende Warnmeldungen ab. Altersschwache Akkumulatoren lassen sich so leicht identifizieren und rechtzeitig austauschen. Ein weiterer Vorteil des Lade-Managements besteht darin, dass der Anwender die Möglichkeit hat, von der ABM-Funktion abzuweichen und eine konstante Ladung mit einer bestimmten Erhaltungsladespannung zu wählen. Die Spannungswerte des Ladegeräts stehen dabei stets in Abhängigkeit zur Temperatur und tragen so zu einem optimalen Batteriezustand bei. Batterieaustausch leicht gemacht Kontinuierliche Kontrolle und ein regelmäßiger Austausch der Batterien sind ausschlaggebend für die Betriebssicherheit von IT-Anlagen. Ein Akkumulator sollte deshalb spätestens dann gewechselt werden, wenn er nur noch 80 Prozent seiner ursprünglichen Kapazität leisten kann. Diesen Wert hat das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) als Ende der Nutzungsdauer von Batterien festgelegt, da sich der Alterungsprozess unterhalb der 80-Prozent-Grenze erheblich beschleunigt. Abhängig vom USV-Modell gibt es verschiedene Möglichkeiten des Akkuaustauschs: "hot swappable" oder "user-replacable". Geräte, bei denen sich die Akkus "hot swappable" ersetzen lassen, erlauben dies ohne Ausfallzeit im laufenden Betrieb und eignen sich daher für die Absicherung von Servern. "User-replacable" Lösungen empfehlen sich unterdessen für normale Büroumgebungen, da sie kein spezielles Werkzeug und keine besondere Ausbildung für den Wechsel der Batterien erforderlich machen. Sie sollten jedoch beim Austausch abgeschaltet sein. Fazit Batterien stellen den Kern jeder USV-Anlage dar und sind einer der sensibelsten Faktoren. Aus diesem Grund sind sie konsequent zu warten und am besten in optimalen Betriebsumgebungen zu installieren. Sonst kann sich die Nutzungsdauer beträchtlich verringern. Die Verwendung eines intelligenten Batterie-Managements empfiehlt sich aus verschiedenen Gründen. Zum einen optimiert die ausgefeilte Ladetechnik das Batterieleben und minimiert anfallende Service-Arbeiten, wodurch sich große Einsparpotenziale ergeben. Zum anderen erhöht die laufende Überwachung des Batteriezustandes auch die Sicherheit des gesamten Systems deutlich. Aus diesem Grund sollte vor allem in sensiblen IT-Bereichen immer ein Lade-Management zum Einsatz kommen. Bei einer Beachtung dieser Aspekte können VRLAs ihre Standardlebenserwartung deutlich übertreffen und damit unnötige Kosten effektiv vermeiden.
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