Thermisches Durchgehen von USV-Batterien: Von der Schadensbegrenzung zur Eliminierung
Thermisches Durchgehen (Thermal Runaway) ist einer der am meisten gefürchteten Ausfallmechanismen in batteriespeisten Systemen. Im Kontext von USV-Systemen in Rechenzentren bezeichnet es eine unkontrollierbare, sich selbst verstärkende Kettenreaktion der Überhitzung innerhalb einer Batteriezelle, die sich auf benachbarte Zellen, Module und Schränke ausbreiten kann – und potenziell Brand, Explosion sowie die Freisetzung giftiger Gase in einer Anlage mit IT-Infrastruktur im Millionenwert verursacht.
Da Rechenzentren zunehmend Lithium-Ionen-Batterien zur Ablösung älterer Blei-Säure-Systeme einsetzen, ist das Verständnis des Risikos eines thermischen Durchgehens – und der verfügbaren Alternativen – für jeden Facility Manager, Ingenieur und Rechenzentrumsbetreiber unverzichtbar geworden.
Was ist ein thermisches Durchgehen?
Thermisches Durchgehen ist ein Zustand, bei dem die Innentemperatur einer Batteriezelle unkontrollierbar ansteigt, ausgelöst durch exotherme chemische Reaktionen, die mehr Wärme erzeugen, als die Zelle abführen kann. Sobald dieser Prozess beginnt, ist er selbstverstärkend und äußerst schwer zu stoppen.
Die Abfolge folgt typischerweise einem vorhersehbaren Muster. Zunächst tritt ein interner Defekt auf – dies kann ein Produktionsfehler, physische Beschädigung, Überladung oder externe Wärmeeinwirkung sein. Der Defekt führt zu lokaler Erwärmung. Mit steigender Temperatur zersetzt sich der Elektrolyt und setzt brennbare Gase frei. Bei einem kritischen Schwellenwert tritt die Zelle in das thermische Durchgehen ein. Die Temperaturen können schnell über 800 °C oder sogar 1.000 °C bei Lithium-Ionen-Chemien auf Metalloxidbasis steigen, wobei Sauerstoff freigesetzt wird, der das Feuer zusätzlich speist.
Der gefährlichste Aspekt ist die Ausbreitung. Die Wärme einer defekten Zelle kann ein thermisches Durchgehen in benachbarten Zellen auslösen und so einen Kaskadeneffekt verursachen, der sich durch ein gesamtes Batteriemodul, einen Schrank und möglicherweise auf angrenzende Schränke ausbreitet.
Warum thermisches Durchgehen für Rechenzentren zunehmend ein Problem darstellt
Der Ausfall von USV-Batterien ist für etwa 55 % der ungeplanten Ausfallzeiten in Rechenzentren verantwortlich. Während Einrichtungen von Blei-Säure- auf Lithium-Ionen-Batterien umstellen, hat sich die Art des Batterieausfalls verändert. Blei-Säure-Batterien versagen schrittweise durch Kapazitätsverlust – vorhersehbar und nicht katastrophal. Lithium-Ionen-Batterien können hingegen abrupt und gewaltsam durch thermisches Durchgehen ausfallen.
Mehrere hochkarätige Vorfälle haben dieses Risiko deutlich gemacht. Im Dezember 2022 führte ein Lithium-Ionen-Batteriebrand in einer Energiespeicheranlage in Südkorea zu Ausfällen, die die Social-Media-Plattform KakaoTalk lahmlegten und Millionen von Nutzern beeinträchtigten.
Aktuelle Minderungsstrategien
Batteriemanagementsysteme (BMS)
Lithium-Ionen-USV-Installationen sind stark auf BMS angewiesen, um Zellspannung, Temperatur und Strom zu überwachen. Ein gut ausgelegtes BMS kann frühzeitige Warnsignale erkennen und betroffene Batteriestränge abschalten, bevor ein thermisches Durchgehen einsetzt. Allerdings ist der Schutz durch das BMS eine Schadensbegrenzung, keine vollständige Vermeidung.
Brandunterdrückungssysteme
Rechenzentren mit Lithium-Ionen-Batterien installieren typischerweise spezialisierte Brandbekämpfungssysteme. Metalloxid-Zellen setzen jedoch eigenen Sauerstoff frei, wodurch eine Verbrennung selbst in sauerstoffarmer Umgebung fortbestehen kann. Wasser kann die Ausbreitung verlangsamen, kann jedoch angrenzende IT-Geräte beschädigen.
Bauvorschriften und Abstandsanforderungen
NFPA 855 und IFC 2018 legen Einschränkungen fest, darunter Energiebegrenzungen (20 kWh pro System oder 600 kWh pro Installation), etwa 1 Meter Sicherheitsabstand zwischen Schränken sowie Anforderungen an feuerbeständige Raumkonstruktionen. Diese können reduziert werden, wenn das System die UL 9540A-Prüfung ohne Ausbreitung besteht, jedoch zeigen viele Lithium-Ionen-Systeme eine Ausbreitung im Test.
„Unser USV-Batteriespeichersystem ist mit fortschrittlichem Thermomanagement und mehrschichtigen Sicherheitsmechanismen ausgestattet, um das Risiko eines thermischen Durchgehens zu minimieren und einen stabilen Betrieb sowie erhöhte Sicherheit auch unter hoher Last oder abnormalen Bedingungen zu gewährleisten.“
Ang Li , CEO in FFD POWER
Die Alternative: Chemien, die kein thermisches Durchgehen erleben können
Anstatt das Risiko eines thermischen Durchgehens lediglich zu managen, eliminieren einige Batteriechemien es vollständig. Der entscheidende Unterschied liegt im Elektrolyten.
Lithium-Ionen-Batterien verwenden organische, brennbare Elektrolyte. Wenn diese sich unter Hitze zersetzen, entstehen brennbare Gase und setzen Energie frei, die die Reaktion aufrechterhält. Dies ist eine inhärente Eigenschaft der Chemie.
Nickel-Zink-(NiZn)-Batterien verwenden einen wässrigen (wasserbasierten) alkalischen Elektrolyten, insbesondere Kaliumhydroxid (KOH). Wasserbasierte Elektrolyte sind nicht entzündlich. Es gibt kein brennbares organisches Lösungsmittel, das sich zersetzen kann, keine Sauerstofffreisetzung durch Kathodenzerfall und keinen Mechanismus für eine sich selbst verstärkende thermische Eskalation.
Die Nickel-Zink-Batterien von FFD POWER wurden auf Zellebene gemäß der UL 9540A Testmethode zur Bewertung der Ausbreitung von thermischem Durchgehen in Energiespeichersystemen getestet. In keinem der fünf zerstörerischen Testverfahren trat ein thermisches Durchgehen auf.
FFD POWER NiZn-Monoblockbatterie: Eliminierung des thermischen Durchgehens
Ausgelegt für Hochleistungsanwendungen mit Entladeraten von über 10C und Laderaten von 2C ist die NiZn-Batterie von FFD POWER speziell für kurzzeitige Hochleistungsanwendungen wie USV-Systeme konzipiert und stellt eine ideale Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien für Anwender dar, bei denen Batteriesicherheit oberste Priorität hat. Die NiZn-Monoblockbatterien von FFD POWER wurden auf Zellebene gemäß der UL 9540A Testmethode zur Bewertung des thermischen Durchgehens getestet und zeigten in keinem der fünf zerstörerischen Testverfahren ein thermisches Durchgehen. Dadurch werden das Brandrisiko, die Freisetzung giftiger Gase sowie die Notwendigkeit spezieller Löschinfrastrukturen, wie sie bei Lithium-Ionen-Batterien erforderlich sind, eliminiert.
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Was dies für das Design von Rechenzentren bedeutet
- Kein spezielles Brandunterdrückungssystem erforderlich: Standardmäßige Gebäudebrandschutzinfrastruktur ist ausreichend.
- Keine Anforderungen an Luftabstände: NiZn-Schränke können direkt nebeneinander und an Wänden platziert werden.
- Keine Begrenzung der Energieinhalte: Die System- und Anlagenlimits der NFPA 855 stellen keine Einschränkung dar.
- Vereinfachte Versicherung: Das Sicherheitsprofil von NiZn kann den Underwriting-Prozess vereinfachen.
- Reduzierte regulatorische Komplexität: Weniger Anforderungen an die Einhaltung von Vorschriften und einfachere Prüfungen durch die zuständigen Behörden (AHJ).
Der UL-9540A-Test: Was Sie Ihren Batterieanbieter fragen sollten
Bei der Bewertung jeder Batterietechnologie für USV-Anwendungen sollten Sie Ihren Anbieter folgende Fragen stellen:
- Wurde die Batterie nach UL 9540A getestet?
- Auf welcher Ebene wurde der Test durchgeführt – Zelle, Modul, Einheit oder Installation?
- Trat bei irgendeiner Stufe ein thermisches Durchgehen auf?
- Wurde eine Zell-zu-Zell- oder Modul-zu-Modul-Propagation beobachtet?
- Wurde während oder nach dem Test Flammenbildung festgestellt?
- Kann der vollständige UL-9540A-Testbericht zur Prüfung durch die zuständige Behörde (AHJ) bereitgestellt werden?
Fazit
Thermisches Durchgehen ist kein unvermeidbares Risiko beim Einsatz von Batterien in USV-Systemen von Rechenzentren. Es ist ein Risiko, das spezifisch für bestimmte Batteriechemien ist, insbesondere für Lithium-Ionen-Batterien mit organischen Elektrolyten. Die Nickel-Zink-Batterietechnologie bietet einen grundlegend anderen Ansatz: einen wässrigen Elektrolyten, der nicht entzündlich ist und durch UL-9540A-Tests auf Zellebene verifiziert wurde.
Für Rechenzentrumsbetreiber, die thermisches Durchgehen vollständig aus ihrem Risikokatalog entfernen möchten, anstatt es lediglich zu managen, ist NiZn die zu bewertende Chemie.
FAQ
Erkunden Sie häufig gestellte Fragen zu unseren Dienstleistungen.
Was ist thermisches Durchgehen in einer USV-Batterie?
Thermisches Durchgehen ist eine unkontrollierbare, sich selbst verstärkende Kettenreaktion der Überhitzung innerhalb einer Batteriezelle. Die Innentemperatur der Zelle steigt so stark an, dass die Wärmeerzeugung die Wärmeableitung übersteigt, wodurch der Elektrolyt zersetzt wird, brennbare Gase freigesetzt werden und es möglicherweise zur Entzündung kommt. Bei Lithium-Ionen-Batterien können Temperaturen über 800 °C erreicht werden, wobei sich der Effekt auf benachbarte Zellen, Module und Schränke ausbreiten kann.
Welche Batterietypen sind von thermischem Durchgehen betroffen?
Lithium-Ionen-Batterien mit organischen, brennbaren Elektrolyten sind die primäre Chemie mit Risiko für thermisches Durchgehen in USV-Anwendungen. Metalloxid-Varianten (NMC, NCA) weisen ein höheres Risiko auf als Lithium-Eisenphosphat (LFP), jedoch erfordern alle Lithium-Ionen-Chemien ein Thermomanagement. Blei-Säure-Batterien erleben kein thermisches Durchgehen in gleicher Weise – sie versagen durch schrittweisen Kapazitätsverlust. Nickel-Zink-Batterien können kein thermisches Durchgehen erfahren, da ihr wasserbasierter Elektrolyt nicht brennbar ist.
Kann thermisches Durchgehen in Lithium-Ionen-USV-Batterien verhindert werden?
Das Risiko eines thermischen Durchgehens in Lithium-Ionen-Batterien kann durch Batteriemanagementsysteme (BMS), Brandunterdrückung, Einhaltung von Bauvorschriften sowie die Auswahl der Chemie (LFP ist sicherer als NMC/NCA) reduziert werden. Diese Maßnahmen managen jedoch das Risiko, eliminieren es aber nicht. Wenn das BMS ausfällt oder ein Defekt nicht erkannt wird, kann es dennoch zu thermischem Durchgehen kommen. Die einzige Möglichkeit, das Risiko vollständig zu eliminieren, besteht darin, eine Batteriechemie zu verwenden, die kein thermisches Durchgehen erfahren kann, wie z. B. Nickel-Zink.
Was ist UL 9540A und warum ist es wichtig?
UL 9540A ist das standardisierte Testverfahren zur Bewertung, ob ein Batteriesystem die Ausbreitung eines thermischen Durchgehens und eines Brandes verursacht. Die Tests können auf Zellen-, Modul-, Einheiten- oder Installationsebene durchgeführt werden. Die Zellebene ist der grundlegendste Indikator dafür, ob die Batteriechemie selbst ein thermisches Durchgehen aufrechterhalten kann oder nicht. Die Nickel-Zink-Batterien von FFD POWER zeigten bei keiner der fünf Zellebenen-Testarten nach UL 9540A ein thermisches Durchgehen.
Erleben Nickel-Zink-Batterien ein thermisches Durchgehen?
Nein. Nickel-Zink-Batterien verwenden einen wässrigen Kaliumhydroxid-(KOH)-Elektrolyten, der wasserbasiert und nicht entzündlich ist. Es gibt kein organisches Lösungsmittel, das sich zersetzen kann, keinen Mechanismus zur Sauerstofffreisetzung und keinen Weg für eine sich selbst verstärkende thermische Eskalation. Die NiZn-Batterien von FFD POWER wurden auf Zellebene gemäß UL 9540A getestet und zeigten in keiner der fünf zerstörerischen Testarten ein thermisches Durchgehen.
Welche Bauvorschriften gelten für die Brandsicherheit von USV-Batterien?
Die wichtigsten Vorschriften sind NFPA 855 (Standard für die Installation stationärer Energiespeichersysteme) und IFC 2018 (International Fire Code). Diese können Energiebegrenzungen, Luftabstände zwischen Batterieschränken sowie feuerbeständige Raumkonstruktionen für Lithium-Ionen-Installationen vorschreiben. Diese Anforderungen können gelockert werden, wenn das Batteriesystem die UL 9540A-Prüfung ohne Ausbreitung besteht. Nickel-Zink-Batterien, die kein thermisches Durchgehen aufweisen, können in der Regel mit standardmäßiger Gebäudebrandschutzinfrastruktur eingesetzt werden.
Was sollte ich meinen Batterieanbieter zum Thema thermisches Durchgehen fragen?
Fragen Sie, ob die Batterie nach UL 9540A getestet wurde, auf welcher Ebene (Zelle, Modul, Einheit oder Installation), ob thermisches Durchgehen oder eine Ausbreitung beobachtet wurde, ob Flammenbildung auftrat und ob der vollständige Testbericht für die zuständige Behörde (AHJ) verfügbar ist. Ergebnisse auf Zellebene sind am wichtigsten – wenn die Chemie auf Zellebene ein thermisches Durchgehen zeigt, kann die Systemtechnik das zugrunde liegende Risiko nicht vollständig eliminieren.
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