Dieses Verhalten ist bei anderen Batterietechnologien, wie zum Beispiel Nickel-Cadmium (NiCd), Nickel-Metall-Hydrid (NiMH) oder Lithium-Ionen (Li-Ion), weniger stark ausgeprägt.
Demzufolge liegen die typischen Überbrückungszeiten von USV-Anlagen mit Batterien im Bereich zwischen 5 und 30 Minuten.
Eine Batterie wird als vollgeladen bezeichnet, wenn sie die vom Hersteller vorgegebene Ladeschlussspannung erreicht hat und keinen nennenswerten Ladestrom mehr aufnimmt.
Eine Batterie gilt als leer, wenn sie während der Entladung eine bestimmte Spannungsuntergrenze, die sogenannte Entladeschlussspannung erreicht hat. Wird eine Batterie bis unter die Entladeschlussspannung entladen, führt dies zu einer dauerhaften Schädigung und damit einer reduzierten Lebensdauer der Batterie.
Im Gegensatz zu Schwungrädern ist es bei Batterien nicht möglich, jederzeit anhand einfacher Messgrößen den Ladezustand zu bestimmen. Auch die aktuelle Klemmenspannung, die einzige von außen einfach zugängliche Messgröße, ist hierzu nicht geeignet, da sie unter anderem stark von der Batteriegröße und dem aktuellen Batteriestrom abhängig ist.
Um diesen Nachteil auszugleichen, ist in den meisten USV-Anlagen eine Software zur Batterieüberwachung integriert, die die aufgenommene und die abgegebene Ladung der Batterie misst und auf integriert, und daraus den aktuellen Ladezustand ableitet.
Die Bestimmung des tatsächlichen, für die USV-Anlage verfügbaren Energieinhalts einer Batterie ist letztlich aber nur durch einen Entladeversuch möglich.
Schwungradspeicher
Einer der großen Unterschiede zwischen Schwungradenergiespeichern und Batterien ist, dass die typische Überbrückungszeit von Schwungradspeichern lediglich im Bereich von 8 bis 60 Sekunden bei Nennlast liegt, bspw. eine Last von 1MW kann für mehr als 60 Sekunden überbrückt werden. Hinzu kommt, dass Schwungradspeicher einen nahezu linearen Zusammenhang zwischen Überbrückungszeit, Energieinhalt und Entladeleistung aufweisen.
Durch die Vorgabe einer oberen und einer unteren Grenzdrehzahl in Verbindung mit dem Trägheitsmoment der Schwungmasse ist der verfügbare Energieinhalt des Speichers bei jeder Drehzahl fest definiert.
Im Gegensatz zur Batterie ist die verfügbare Energie unabhängig von der Entladeleistung und steht damit der USV uneingeschränkt zu Verfügung.
Ladezeit
Die Leistung, mit der der Energiespeicher wieder geladen werden kann, hängt von verschiedenen Faktoren ab.
- Maximale Netzleistung, die zusätzlich zur Lastversorgung für die Ladung zur Verfügung gestellt werden kann.
- Maximale Leistung der Ladeeinrichtung.
- Eventuelle Begrenzung der Ladeleistung durch den Energiespeicher
Bei Batterien ist die Ladeleistung während des Ladevorgangs in der Regel nicht konstant. So wird zum Bespiel beim Laden von Bleibatterien anhand einer IU-Kennlinie der Ladestrom (I) bei Erreichen der Ladeschlussspannung (U) reduziert. Ab diesem Zeitpunkt wird mit konstanter Batterieklemmenspannung und abnehmendem Ladestrom geladen, um ein schädliches Überladen der Batterie zu verhindern.
Bei USV-Anlagen mit Schwungradspeicher erfolgt das Aufladen während des gesamten Ladevorgangs mit nahezu konstanter Leistung. Bei USV-Anlagen mit elektrisch angebundenem Schwungrad ist es möglich, mit einem bidirektionalen Frequenzumrichter den Schwungradspeicher mit der gleichen Leistung zu laden, mit der er bei einem Netzausfall entladen wird, was in der Regel der Nennleistung der USV-Anlage entspricht. Mit Rücksicht auf die maximale Netzanschlussleistung liegt die typische Rückladezeit eines Schwungrades allerdings in der Regel zwischen 1 und 6 Minuten.
Zuverlässigkeit
Für eine USV ist die Zuverlässigkeit des Energiespeichers von essentieller Bedeutung.
Da aber keine einheitliche Datenbasis bezüglich der Zuverlässigkeit von Energiespeichern zur Verfügung steht, muss teilweise auf eigene Erfahrungen zurückgegriffen werden [1]. Danach kann für eine Bleibatterie in der Ausführung als Nasszelle eine MTBF (Mean Time Between Failures) von ca. 880000 Stunden, für eine sogenannte wartungsfreie Batterie aber nur eine MTBF von ca. 80000 Stunden angenommen werden.
Um Ausfällen von Batterien wirkungsvoll vorzubeugen, ist deren regelmäßige Wartung unbedingt erforderlich. Schwungradspeicher erlauben grundsätzlich eine genauere Berechnung ihrer Zuverlässigkeit, da die entsprechenden Daten der verwendeten Komponenten in den meisten Fällen bekannt sind. Eine hohe Zuverlässigkeit und eine Lebensdauer von >20Jahren zeichnen Schwungräder aus. Dies gilt insbesondere dann, wenn nicht extreme Technologien, wie z.B. Hochvakuum oder sehr hohe Drehzahlen, zum Einsatz kommen.
Je nach Ausführung ergeben sich für Schwungradspeicher MTBF-Werte von bis zu 3,4 Mill. Stunden. Damit sind sie deutlich zuverlässiger als Batterien, mit dem zusätzlichen Vorteil des geringen Wartungsaufwands.
Welcher Energiespeicher für welche Anwendung?
Überbrückungszeit
Die Überbrückungszeit ist ein grundsätzliches und gleichzeitig auch sehr komplexes Kriterium bei der Auswahl eines Energiespeichers.
Zunächst einmal muss fest stehen, gegen welche Art von Netzausfällen die USV-Anlage die Last schützen soll.
Aus der Statistik für Kurzzeit-Netzausfälle in Mitteleuropa in Abb. 2 geht hervor, dass 92,8 % der Netzausfälle kürzer als 1 Sekunde sind, und dass mit einer Überbrückungszeit von 3 Sekunden bereits 96,5 % der Netzausfälle abgedeckt werden.
