Eine häufige Frage im Rechenzentrumsbetrieb: Nach mehreren Betriebsjahren wird bei einer Routineinspektion eine aufgeblähte Zelle in einem USV-Batteriestrang gefunden. Ihre Spannung ist niedrig, die anderen Zellen sehen jedoch normal aus. Kann man nur die fehlerhafte Einheit ersetzen, oder muss der gesamte Strang ausgetauscht werden?
Die Antwort lautet fast immer: den gesamten Strang ersetzen.
Warum eine einzelne ausgefallene Zelle oft den gesamten Strang gefährdet
Blei-Säure-Batteriestränge sind in Reihe geschaltet. In einer Reihenschaltung ist der Strom durch jede Zelle gleich, doch Spannung, Innenwiderstand und Kapazität sind zwischen den Zellen nie perfekt aufeinander abgestimmt. 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 im Einsatz 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. Infolgedessen ist die neue Zelle möglicherweise noch nicht vollständig geladen, während die alte Zelle bereits überladen wird – sie überhitzt, verliert Wasser, bläht sich auf und beschleunigt damit 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. Der Spannungsunterschied zwischen einer alten und einer neuen Zelle liegt weit über diesem Grenzwert. Aus Compliance-Sicht wird das Mischen alter und neuer Zellen daher schlicht nicht empfohlen.
Kapazitätsabbau
Die nutzbare Kapazität eines Batteriestrangs wird durch seine schwächste 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 Schutz des Strangs aus. Die neue Zelle hätte noch Energie abzugeben, kann sie jedoch nicht liefern, weil der Strang bereits abgeschaltet hat.
Aus all diesen Gründen ist die Branchenpraxis eindeutig: Wenn ein Blei-Säure-Batteriestrang länger als drei Jahre im Einsatz war und eine Zelle ausfällt, sollte der gesamte Strang ersetzt werden. Nur eine Zelle auszutauschen kostet vielleicht nur einen Bruchteil eines vollständigen Austauschs, doch die daraus entstehenden Risiken – weitere Ausfälle, höhere Wartungskosten und mögliche Ausfallzeiten – wiegen die kurzfristigen Einsparungen deutlich auf.
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 verschiedene 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 stabilere Leistung über die Zeit. 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 ist der Ausfallmodus anders. Wenn Blei-Säure-Batterien altern, steigt der Innenwiderstand stark an und die Kapazität fällt plötzlich ab. Fällt eine Zelle aus, bricht kurz darauf der gesamte Strang zusammen. Eine Nickel-Zink-Batterie am Ende ihrer Lebensdauer zeigt 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 restliche Strang weiterarbeiten – lediglich die Gesamtkapazität wird reduziert. Wartungsteams haben ausreichend Zeit, einen geplanten Austausch zu terminieren, 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. Das bedeutet, dass das Szenario „eine schlechte Zelle“ im Lebenszyklus einer Nickel-Zink-USV-Batterie wesentlich später – und deutlich seltener – auftritt.
Praktische Erkenntnisse für Rechenzentrumsbetreiber
Zurück zur ursprünglichen Frage: eine defekte USV-Batteriezelle – was sollten Sie tun?
Wenn Sie Blei-Säure-Batterien verwenden 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 praktischer Erfahrung. 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-Anlage bewerten: Ziehen Sie Nickel-Zink in Betracht. Die Auslegungslebensdauer ist zwei- bis dreimal länger als bei Blei-Säure. Über die Lebensdauer des Rechenzentrums hinweg sinkt die Anzahl der Batteriewechsel drastisch.
Aus Sicht der Gesamtbetriebskosten kann eine Nickel-Zink-Batterie höhere Anfangskosten haben als Blei-Säure, vermeidet jedoch zwei oder drei vollständige Strangaustausche – und eliminiert damit nicht nur Material- und Arbeitskosten, sondern auch die Koordinationsprobleme rund um Ausfallzeiten. Für jede Anlage, die hohe Zuverlässigkeit und geringen Wartungsaufwand schätzt, ist Nickel-Zink eine Option, die eine ernsthafte Prüfung verdient.