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  • Lithium-Ionen-Akkus erobern die Edge

Auf Lithium-Ionen-Technologie basierende Akkumulatoren sind bereits in vielen Bereichen Standard. Dabei weisen diese modernen Batterien im Vergleich zu konventionellen Energiespeichern eine ganze Reihe interessanter Vorteile auf. Dazu gehört eine erheblich längere Lebensdauer der Energiezellen, geringeres Gewicht und Volumen sowie eine höhere Wärmebeständigkeit. Die genannten Vorteile machen Lithium-Ionen-Akkus daher zum idealen Energiespeicher in dezentralen USV-Anlagen. 

Evolution im USV Bereich 

Um geringere Latenzen sowie eine verbesserte Übertragungsgeschwindigkeit zu erreichen, werden bei einer Edge-Infrastruktur die latenzkritischen Daten und Anwendungen aus der primären Cloud ausgelagert und an Standorten die geografisch näher am Anwender liegen abgelegt. Dabei muss nicht jeder genutzte Standort auch gleich ein ganzes Rechenzentrum umfassen, ein Edge-Endpunkt kann ebenso ein IoT-Gateway oder auch nur ein einfacher PC sein. Da auch bei kleinen IT-Infrastrukturen eine hohe Verfügbarkeit gegeben sein muss, wird der Einsatz einer USV zur Pflicht. Leistungsstarke, mit Lithium-Ionen-Akkus bestückte USV-Systeme waren allerdings bisher ausschließlich großen Rechenzentren mit einer dreiphasigen Infrastruktur vorbehalten. Die Vorteile dieser modernen Batterietechnologie lassen sich dank einphasigen USVs mit entsprechender Li-Ionen-Ladetechnik, wie etwa der neuen Smart-UPS On-Line Serie von APC by Schneider Electric, mittlerweile auch bei kleinen Edge-Endpunkten gewinnbringend einsetzen. 

Lithium-Ionen vs. VRLA: Vorteile 

Gegenüber VRLA (Valve-Regulated Lead-Acid Battery) Stromspeichern können Lithium-Ionen-Energiezellen mit einer erheblich höheren Lebensdauer punkten. Dabei bestimmt die sogenannte Zyklenlebensdauer die Lebensspanne einer Batterie. Sie bezeichnet den Zeitraum an dem der Akku nur noch über 80 Prozent seiner Ausgangskapazität verfügt. Beim Erreichen oder Unterschreiten dieses Wertes ist das Ende der Lebensspanne und die Batterie sollte ausgetauscht werden. Bei VRLA-Akkus bedeutet das, dass etwa alle drei bis sechs Jahre ein Austausch ansteht. Lithium-Ionen-Energiezellen müssen dagegen lediglich etwa alle 10 Jahre erneuert werden, was mit deutlich niedrigeren Wartungskosten einhergeht. Darüber hinaus weisen Lithium-Ionen-Zellen eine deutlich höhere Energiedichte auf als die älteren VRLA-Akkus. In der Praxis hat das zur Folge, dass eine mit Lithium-Ionen-Batterien bestückte USV bei gleicher Leistung weniger Stellfläche und Gewicht aufweist als das VRLA-Pendant. Das kann letztlich den Unterschied ausmachen, ob für einen kleinen Edge-Endpunkt ein großes Serverrack benötigt wird oder ob bereits ein kleiner 19“-Wandschrank ausreicht.

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Abbildung 1: Einphasige USV mit Lithium-Ionen-Akku der Smart-UPs On-Line Serie von APC by Schneider Electric

Entscheidende Auswirkung auf die Lebensdauer einer USV hat auch die Umgebungstemperatur. Während VRLA-Akkus unterhalb von 25°C betrieben werden sollen, können viele Lithium-Ionen-Batterien bei Temperaturen von bis zu 40°C betrieben werden, ohne dass eine vorzeitige Alterung der Zellen auftritt. Mittlerweile werden auch Server angeboten, die ebenfalls eine gefahrlose Betriebstemperatur von 40°C ermöglichen. In Kombination mit einer Li-Ion-USV sinken so die Anforderung an Klimatisierung und Kühlung beträchtlich. Durch die Nutzung des höheren Temperaturbereiches können der Aufwand für Kühlung und Klimatisierung verringert und somit Energiekosten reduziert werden. Jedes Grad Celsius das weniger heruntergekühlt werden muss, spart bares Geld. Bei einem kleinen Edge-Endpunkt kann oft auch komplett auf zusätzliche Kühl- und Klimatisierungsmaßnahmen verzichtet werden. 

Eine Beispielrechnung

Wie in Abbildung 2 zu sehen, ist das Einsparpotenzial einer Lithium-Ionen USV gegenüber einem mit VRLA-Batterien bestückten Modell beachtlich. Während die Anschaffungskosten für einen Lithium-Ionen-Batteriepack inkl. Installationskosten noch 51% über denen einer VRLA basierten Lösung liegen, zeigt sich der Vorteil der Li-Ion-Energiezellen bei den Betriebskosten. So entfallen die Kosten für den Batterietausch und die damit verbundenen Installationskosten komplett, wenn von einer Lebensdauer der USV-Anlage von 10 Jahren ausgegangen wird. Am Ende steht den 51 Prozent höheren Investitionskosten einer Lithium-Ionen-USV eine Ersparnis von ganzen 100 Prozent bei den Betriebskosten, im Vergleich mit einem VRLA basierten USV-System, gegenüber. Unter dem Strich ergibt sich so eine 53 Prozent geringere TCO beim Einsatz einer USV mit Lithium-Ionen-Akkus.

Abbildung 2: Beispielrechnung zur Rentabilität einer Li-Ion-USV

Annahmen/Kosten Kategorie VRLA Li-Ion
Annahmen: USV Leistung 1.350 W 1.350 W
Geplante Lebensspanne der USV 10 Jahre 10 Jahre
Betriebstemperatur 25 °C 25 °C
Geplanter Austausch der Batterien Nach 4 und 8 Jahren Nicht nötig
Kosten für einen Satz Batterien 730 € 1.200 €
Installationskosten bei Batterietausch 200 € Nicht nötig
Investitionskosten: Batteriekosten 730 € 1.200 €
Installationskosten 200 € 200 €
Gesamt 930 € 1.400 €
Betriebskosten: Kosten Batterieaustausch nach 4 Jahren 840 € 0 €
Installationskosten nach 4 Jahren 200 € 0 €
Kosten Batterieaustausch nach 8 Jahren 840 € 0 €
Installationskosten nach 8 Jahren 200 € 0 €
Gesamt 2.080 € 0 €
TCO: Investitionskosten 930 € 1.400 €
Betriebskosten 2.080 € 0 €
Gesamtkosten bei einem Standort 3.010 € 1.400 €
Gesamtkosten bei 20 Standorten 60.200 € 28.000 €

Fazit

Aktuell ist der wohl noch einzige nennenswerte Nachteil einer Lithium-Ionen-USV gegenüber einer VRLA-Lösung der höhere Anschaffungspreis. In der Gesamtbetrachtung sind die Kosten allerdings zu vernachlässigen, da das enorme Einsparpotenzial durch die fehlenden Betriebskosten, mehr als ausgeglichen wird. Es ist bereits heute absehbar, dass bereits in absehbarer Zukunft die Kosten für Lithium-Ionen-Akkus sinken werden, was auch den letzten kleinen Nachteil ausräumen würde. Spätestens dann, wird für Planer und Entscheider kein Weg mehr an den modernen Akkus vorbeiführen.

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