Wie funktioniert eine USV-Anlage mit Lithium-Batterien?

Eine USV-Anlage mit Lithium-Batterien funktioniert nach demselben Grundprinzip wie eine klassische unterbrechungsfreie Stromversorgung: Sie speichert elektrische Energie und gibt diese bei einem Netzausfall sofort an angeschlossene Geräte ab. Der entscheidende Unterschied liegt in der Batterietechnologie. Lithium-Batterien bieten gegenüber herkömmlichen Blei-Säure-Batterien eine deutlich höhere Energiedichte, längere Lebensdauer und schnellere Ladezeiten. Die folgenden Abschnitte beantworten die wichtigsten Fragen rund um den Aufbau, die Funktionsweise und die Anforderungen einer Lithium-USV.

Was sind die Vorteile von Lithium-Batterien in einer USV-Anlage?

Lithium-Batterien bieten in einer USV-Anlage gegenüber Blei-Säure-Batterien mehrere entscheidende Vorteile: Sie sind kompakter, leichter, wartungsärmer und haben eine deutlich längere Lebensdauer. Für Anwendungen mit hohen Verfügbarkeitsanforderungen wie Rechenzentren, Krankenhäuser oder Telekommunikationsinfrastruktur sind diese Eigenschaften besonders relevant.

Im Detail sprechen folgende Vorteile für den Einsatz von Lithium-Batterien in der unterbrechungsfreien Stromversorgung:

• Höhere Energiedichte: In einem kleineren und leichteren Gehäuse lässt sich mehr Energie speichern. Das spart wertvollen Platz im Serverraum oder Technikschrank.
• Schnelleres Laden: Lithium-Batterien laden erheblich schneller als Blei-Säure-Batterien und stehen nach einem Netzausfall rascher wieder vollständig zur Verfügung.
• Längere Lebensdauer: Die Zyklenfestigkeit reicht von mehreren Hundert bis zu mehreren Tausend Ladezyklen, bevor die Kapazität merklich nachlässt.
• Geringer Wartungsaufwand: Anders als geflutete Blei-Batterien benötigen Lithium-Batterien praktisch keine Routinewartung.
• Niedrige Selbstentladung: Die Kapazität bleibt auch bei längerer Lagerung weitgehend erhalten, was die Betriebssicherheit erhöht.
• Geringere Gesamtbetriebskosten: Trotz höherem Anschaffungspreis ergibt sich bei intensiver Nutzung durch die längere Lebensdauer und den geringeren Wartungsaufwand ein niedrigerer Total Cost of Ownership.

Der einzige wesentliche Nachteil ist der höhere Kaufpreis im Vergleich zu Blei-Säure-Batterien. Für Anwendungen mit geringem Strombedarf oder sehr niedrigem Budget kann eine Blei-Säure-Lösung weiterhin sinnvoll sein. Bei intensiver täglicher Nutzung überwiegen die Vorteile der Lithium-Technologie jedoch in aller Regel.

Wie lädt und entlädt sich eine Lithium-USV-Batterie?

Eine Lithium-USV-Batterie speichert und gibt Energie frei, indem Lithium-Ionen zwischen einer positiven und einer negativen Elektrode wandern. Beim Laden bewegen sich die Ionen zur negativen Elektrode, beim Entladen fließen sie zurück zur positiven. Dieser Prozess wird durch ein integriertes Batteriemanagementsystem (BMS) überwacht und gesteuert.

Das BMS ist ein zentrales Element jeder Lithium-USV. Es überwacht kontinuierlich Spannung, Temperatur und Ladezustand jeder einzelnen Zelle. Dadurch verhindert es Überladung, Tiefentladung und thermische Überlastung. Im normalen Betrieb wird die Batterie über das Ladegerät der USV-Anlage konstant auf einem definierten Ladezustand gehalten, sodass sie im Bedarfsfall sofort Energie liefern kann.

Ein weiterer Vorteil ist die Unterstützung von Gelegenheitsladung: Lithium-Batterien können in kurzen Pausen teilgeladen werden, ohne dass dies die Lebensdauer nennenswert beeinträchtigt. Das ist besonders relevant, wenn die USV-Anlage in einem Umfeld mit häufigen, kurzen Netzunterbrechungen eingesetzt wird. Die durchschnittliche Zellspannung liegt bei etwa 3,5 Volt, was im Vergleich zu NiCd- oder NiMH-Zellen mit 1,2 bis 1,5 Volt eine deutlich höhere Energiedichte je Zelle ermöglicht.

Welche Lithium-Technologien werden in USV-Anlagen eingesetzt?

In USV-Anlagen wird überwiegend Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4) eingesetzt. Diese Chemie gilt als besonders sicher, langlebig und stabil und hat sich in industriellen und kommerziellen Backup-Anwendungen als bevorzugte Wahl etabliert.

LiFePO4-Batterien überzeugen durch mehrere Eigenschaften, die für den USV-Einsatz besonders relevant sind:

• Thermische Stabilität: LiFePO4 ist weniger anfällig für thermisches Durchgehen als andere Lithium-Chemien, was die Betriebssicherheit in geschlossenen Räumen erhöht.
• Lange Zyklenlebensdauer: Die Technologie verträgt eine hohe Anzahl an Ladezyklen, was die Gesamtbetriebskosten senkt.
• Zuverlässige Leistung: Die Spannung bleibt während des Entladevorgangs weitgehend konstant, was eine stabile Versorgung angeschlossener Geräte gewährleistet.
• Kompatibilität mit BMS: LiFePO4-Systeme lassen sich gut mit modernen Batteriemanagementsystemen kombinieren, die Schutz- und Überwachungsfunktionen übernehmen.

Andere Lithium-Chemien wie NMC (Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid) werden in manchen USV-Anwendungen ebenfalls eingesetzt, wenn eine besonders hohe Energiedichte auf kleinstem Raum gefordert ist. Für industrielle Dauerbetriebsanwendungen bleibt LiFePO4 jedoch die robustere und sicherere Wahl.

Was ist der Unterschied zwischen Online- und Offline-USV mit Lithium?

Der Unterschied zwischen Online- und Offline-USV liegt in der Art, wie die Batterie in den Stromkreis eingebunden ist, nicht in der Batterietechnologie selbst. Bei einer Online-USV ist die Batterie dauerhaft im Lastkreis aktiv, bei einer Offline-USV springt sie erst bei einem Netzausfall ein. Beide Topologien können mit Lithium-Batterien ausgestattet werden.

Online-USV mit Lithium

Bei einer Online-USV (auch Doppelwandler-USV genannt) wird die Versorgungsspannung kontinuierlich über den Wechselrichter geführt. Die Lithium-Batterie ist dabei permanent im Betrieb und liefert bei einem Netzausfall ohne Umschaltzeit Energie. Diese Topologie bietet den höchsten Schutz vor Spannungsschwankungen, Oberwellen und Frequenzabweichungen und ist die bevorzugte Lösung für Rechenzentren, Krankenhäuser und kritische Infrastruktur.

Offline-USV mit Lithium

Bei einer Offline-USV (auch Standby-USV genannt) liefert das Stromnetz im Normalbetrieb direkt die Versorgungsspannung. Erst bei einem Ausfall schaltet die USV auf Batteriebetrieb um. Die Umschaltzeit beträgt typischerweise wenige Millisekunden. Lithium-Batterien verbessern auch hier die Verfügbarkeit, da sie schnell laden und eine hohe Energiedichte mitbringen. Diese Topologie eignet sich für weniger kritische Anwendungen mit begrenztem Budget.

Wann sollte man eine USV-Anlage auf Lithium umrüsten?

Eine Umrüstung auf Lithium-Batterien lohnt sich vor allem dann, wenn die bestehenden Blei-Säure-Batterien das Ende ihrer Lebensdauer erreicht haben, wenn Platz und Gewicht eine Rolle spielen oder wenn der Wartungsaufwand reduziert werden soll. Eine Umrüstung ist besonders sinnvoll bei intensiv genutzten Anlagen in anspruchsvollen Umgebungen.

Konkrete Situationen, in denen eine Umrüstung empfehlenswert ist:

• Die vorhandenen Blei-Batterien müssen ohnehin ersetzt werden und der Betreiber möchte langfristig Betriebskosten senken.
• Der verfügbare Platz im Technikraum ist begrenzt und eine kompaktere Lösung wird benötigt.
• Die USV-Anlage wird in einer Umgebung mit häufigen Netzunterbrechungen betrieben, die häufige Ladezyklen erfordern.
• Hohe Wartungskosten oder Wartungsintervalle belasten den Betrieb.
• Die Anlage muss in einem Temperaturbereich betrieben werden, in dem Blei-Batterien an Kapazität verlieren.

Weniger geeignet ist die Umrüstung, wenn die Anlage selten genutzt wird, die Batterien noch eine ausreichende Restlebensdauer haben oder das Budget den höheren Anschaffungspreis von Lithium-Batterien nicht zulässt. In solchen Fällen können versiegelte AGM-Batterien weiterhin eine wirtschaftlich sinnvolle Alternative darstellen.

Welche Sicherheits- und Zertifizierungsanforderungen gelten für Lithium-USV-Batterien?

Für Lithium-Batterien in USV-Anlagen gelten strenge Sicherheits- und Zertifizierungsanforderungen, die sowohl die Batteriezellen selbst als auch das Gesamtsystem betreffen. In Europa sind die EU-Batterieverordnung, einschlägige IEC-Normen sowie nationale Richtlinien wie die PGS-Reihe in den Niederlanden maßgeblich.

Zu den wichtigsten Anforderungen gehören:

• Batteriemanagementsystem (BMS): Jede Lithium-Batterie in einer USV muss über ein zertifiziertes BMS verfügen, das Überladung, Tiefentladung, Kurzschluss und thermisches Durchgehen verhindert.
• Thermisches Management: Systeme müssen so ausgelegt sein, dass Wärme kontrolliert abgeführt wird und ein thermisches Durchgehen einzelner Zellen sich nicht auf das Gesamtsystem ausbreitet.
• EU-Batterieverordnung: Ab einer bestimmten Kapazität greifen Anforderungen an Rückverfolgbarkeit, Recyclingfähigkeit und Konformitätsnachweise entlang der gesamten Lieferkette.
• PGS 37-1 und PGS 37-2: In den Niederlanden regeln diese Richtlinien den sicheren Betrieb von Lithium-Energiespeichersystemen ab 20 kWh, einschließlich Anforderungen an Brandschutz, Cybersicherheit und Überwachung. Sie werden von Behörden, Feuerwehr und Versicherern als verbindlicher Standard anerkannt.
• IEC-Normen: Normen wie IEC 62619 (Sicherheitsanforderungen für Lithium-Zellen in stationären Anwendungen) definieren Mindestanforderungen an Zelltests, Schutzschaltungen und Systemauslegung.

Betreiber sollten sicherstellen, dass sowohl die Batterien als auch die Gesamtanlage die relevanten Zertifizierungen tragen und dass die Dokumentation für Behörden und Versicherer vollständig vorliegt. Bei gewerblichen und industriellen Installationen empfiehlt sich die Zusammenarbeit mit einem zertifizierten Batteriespezialisten, der die Konformität von Anfang an in die Systemauslegung einbezieht.

Lithium-USV-Lösungen von Intercel: zertifiziert, erprobt und europaweit verfügbar

Als zertifizierter europäischer Batteriespezialist mit mehr als 40 Jahren Erfahrung unterstützen wir Unternehmen dabei, die richtige Lithium-Batterielösung für ihre USV-Anlage zu finden und sicher in Betrieb zu nehmen. Ob Neubeschaffung, Umrüstung oder Erweiterung einer bestehenden unterbrechungsfreien Stromversorgung: Wir begleiten den gesamten Prozess von der Bedarfsanalyse bis zur Inbetriebnahme.

Was wir konkret bieten:

• Breites Produktportfolio: Wir führen Lithium-USV-Batterien von führenden Marken wie REVO Systems sowie Lösungen unserer eigenen Marken, abgestimmt auf unterschiedliche Kapazitäten, Topologien und Einbausituationen.
• Technische Beratung: Unsere Spezialisten helfen bei der Auswahl der richtigen Batterietechnologie, Kapazität und Systemkonfiguration für jede Anwendung.
• Konformität und Zertifizierung: Alle Produkte in unserem Sortiment erfüllen die geltenden europäischen Normen und Richtlinien, einschließlich der EU-Batterieverordnung und relevanter IEC-Standards.
• Schnelle Lieferfähigkeit: Dank unseres Lagerbestands und unserer Logistikinfrastruktur gewährleisten wir kurze Lieferzeiten, auch bei dringendem Bedarf.
• Nachhaltigkeit: Von der Beschaffung bis zum Recycling handeln wir verantwortungsvoll und bieten unseren Kunden unter anderem die Intercel Battery Recycling Box zur fachgerechten Entsorgung.

Möchten Sie wissen, welche Lithium-USV-Batterie am besten zu Ihrer Anlage passt? Nehmen Sie Kontakt mit unserem Team auf und lassen Sie sich unverbindlich beraten.