Eine häufige Frage im Rechenzentrumsbetrieb: Nach mehreren Jahren im Einsatz wird bei einer Routineinspektion eine aufgeblähte Zelle in einem USV-Batteriestrang festgestellt. Ihre Spannung ist niedrig, aber die anderen Zellen sehen normal aus. Kann man nur die fehlerhafte Einheit ersetzen, oder muss der gesamte Strang ausgetauscht werden?
Die Antwort lautet fast immer: den ganzen Strang ersetzen.
Warum eine einzelne ausgefallene Zelle oft den gesamten Strang gefährdet
Blei-Säure-Batteriestränge sind in Reihe geschaltet. In einer Reihenschaltung fließt durch jede Zelle derselbe Strom, doch Spannung, Innenwiderstand und Kapazität sind zwischen den Zellen nie perfekt identisch. Genau darin liegt die Ursache des Problems.
Unterschied beim Innenwiderstand
Eine neue Blei-Säure-Batterie mit kleiner Kapazität und 12 V hat typischerweise einen Innenwiderstand zwischen 0,015 und 0,018 Ω. Bei einer Batterie, die drei bis fünf Jahre in Betrieb war, kann der Innenwiderstand auf über 0,05 Ω steigen – oft sogar deutlich höher.
Wenn alte und neue Zellen gemeinsam in Reihe geladen werden, verteilt sich die Ladespannung entsprechend dem Innenwiderstand. Die alte Zelle mit höherem Widerstand erhält eine höhere Spannung. Dadurch wird die neue Zelle möglicherweise nicht vollständig geladen, während die alte Zelle bereits überladen wird – sie überhitzt, verliert Wasser, bläht sich auf und beschleunigt ihren eigenen Ausfall. Beim Entladen kehrt sich die Situation um: Der höhere Innenwiderstand der alten Zelle lässt ihre Spannung schneller abfallen. Der gesamte Strang schaltet wegen der niedrigen Spannung der alten Zelle frühzeitig ab, sodass die Kapazität der neuen Zelle vollständig ungenutzt bleibt.
Spannungsabweichung
Normen für Batteriestränge legen maximal zulässige Unterschiede der Leerlaufspannung zwischen Zellen fest. Die Spannungsdifferenz zwischen einer alten und einer neuen Zelle liegt weit außerhalb dieses Grenzwerts. Aus Compliance-Sicht wird das Mischen alter und neuer Zellen daher schlicht nicht empfohlen.
Kapazitätsverlust
Die nutzbare Kapazität eines Batteriestrangs wird von seiner schwächsten Zelle bestimmt. Nach drei bis fünf Jahren kann die Kapazität einer alten Zelle auf 70–80 % ihres Nennwerts gefallen sein, während eine neue Zelle bei 100 % liegt. Beim Entladen ist die alte Zelle zuerst leer und löst den Strangschutz aus. Die neue Zelle hätte noch Energie abzugeben, kann dies aber nicht, weil der Strang bereits abgeschaltet hat.
Aus all diesen Gründen ist die Branchenpraxis eindeutig: Wenn ein Blei-Säure-Batteriestrang seit mehr als drei Jahren in Betrieb ist und eine Zelle ausfällt, sollte der gesamte Strang ersetzt werden. Nur eine Zelle zu ersetzen, kostet vielleicht nur einen Bruchteil eines vollständigen Austauschs, doch die daraus entstehenden Risiken – weitere Ausfälle, höhere Wartungskosten und mögliche Ausfallzeiten – überwiegen die kurzfristige Ersparnis bei Weitem.
Worin unterscheidet sich eine Nickel-Zink-Batterie?
Was ist, wenn das Rechenzentrum stattdessen eine Nickel-Zink-Batterie verwendet? Gilt dasselbe Problem?
Der erste entscheidende Unterschied ist die Lebensdauer.
Eine Gerchamp Nickel-Zink-Batterie (Gerchamp bietet eine Reihe von NiZn-Batteriemodellen für unterschiedliche USV-Anwendungen an, darunter die 8XNFG90 sowie die 8XNFZ38.) hat eine Auslegungslebensdauer von 10–15 Jahren, verglichen mit nur 3–5 Jahren bei herkömmlichen Blei-Säure-Batterien.
Eine längere Lebensdauer bedeutet eine im Zeitverlauf stabilere Leistung. Nach fünf oder sechs Betriebsjahren befindet sich ein Nickel-Zink-Strang noch in der ersten Hälfte oder in der Mitte seines Lebenszyklus. Die Zell-zu-Zell-Konsistenz bei Innenwiderstand, Spannung und Kapazität ist deutlich besser als bei gleich alten Blei-Säure-Batterien. Die Wahrscheinlichkeit, dass eine einzelne Zelle schwerwiegend ausfällt, ist wesentlich geringer.
Zweitens unterscheidet sich der Ausfallmodus. Mit zunehmendem Alter steigt bei Blei-Säure-Batterien der Innenwiderstand stark an, und die Kapazität fällt plötzlich ab. Wenn eine Zelle ausfällt, bricht kurz darauf der gesamte Strang zusammen. Eine Nickel-Zink-Batterie zeigt gegen Ende ihrer Lebensdauer dagegen hauptsächlich einen allmählichen Anstieg des Innenwiderstands. Sie wird nicht plötzlich unterbrochen oder kurzgeschlossen, bläht sich nicht auf, verliert keine Säure und setzt keine korrosiven Gase frei wie Blei-Säure-Batterien. Selbst wenn die Leistung einer Zelle nachlässt, kann der Rest des Strangs weiterarbeiten – nur die Gesamtkapazität sinkt. Wartungsteams haben ausreichend Zeit, einen geplanten Austausch einzuplanen, statt mitten in der Nacht zu einer Notfallreparatur gerufen zu werden.
Natürlich wird das Mischen alter und neuer Zellen bei keiner Batteriechemie empfohlen, auch nicht bei Nickel-Zink. Der entscheidende Punkt ist jedoch: Nickel-Zink-Batterien behalten langfristig eine deutlich bessere Konsistenz. Sie entwickeln nicht die großen Unterschiede, die bei Blei-Säure-Strängen nach drei oder vier Jahren auftreten. Dadurch tritt das Szenario „eine defekte Zelle“ im Lebenszyklus einer Nickel-Zink-USV-Batterie deutlich später – und deutlich seltener – auf.
Praktische Erkenntnisse für Rechenzentrumsbetreiber
Zurück zur ursprünglichen Frage: eine defekte USV-Batteriezelle – was sollten Sie tun?
Wenn Sie Blei-Säure-Batterien einsetzen und der Strang älter als drei Jahre ist: Ersetzen Sie den gesamten Strang. Dabei geht es nicht darum, Kosten in die Höhe zu treiben; es ist eine rationale Entscheidung auf Basis realer Praxiserfahrung. Die wenigen Hundert Dollar, die Sie durch den Austausch nur einer Zelle sparen, zahlen Sie wahrscheinlich mehrfach durch höhere Betriebskosten zurück – oder schlimmer noch, durch einen vermeidbaren Ausfall.
Wenn Sie eine andere Batterietechnologie für Ihr Rechenzentrum oder Ihre AIDC-Einrichtung prüfen: Ziehen Sie Nickel-Zink in Betracht. Die Auslegungslebensdauer ist zwei- bis dreimal länger als bei Blei-Säure. Über die Lebensdauer des Rechenzentrums sinkt die Anzahl der Batteriewechsel drastisch.
Aus Sicht der Gesamtbetriebskosten kann eine Nickel-Zink-Batterie höhere Anfangskosten als Blei-Säure haben, vermeidet jedoch zwei oder drei vollständige Strangaustausche – und damit nicht nur Material- und Arbeitskosten, sondern auch den Koordinationsaufwand rund um Ausfallzeiten. Für jede Einrichtung, die hohe Verfügbarkeit und einen geringen Wartungsaufwand schätzt, ist Nickel-Zink eine Option, die eine ernsthafte Prüfung verdient.