Worauf Rechenzentrumsingenieure bei einem Wasserstoffmonitor für USV-Batterieräume achten sollten
Notstromversorgung ist eine Grundvoraussetzung für jedes Rechenzentrum, und die in USV-Anlagen verbauten Batterien entwickeln sich weiter. Lithium-Ionen-Batterien werden zunehmend für USV-Anlagen eingesetzt, da sie weniger Platz und Gewicht benötigen und eine bis zu zehnmal höhere Zyklenlebensdauer als Blei-Säure-Batterien bieten. Wasserbasierte Batterien, wie beispielsweise Blei-Säure-Batterien, sind weiterhin weit verbreitet. Viele Einrichtungen betreiben mittlerweile beide Batterietypen, teilweise sogar im selben Gebäude. Jede dieser chemischen Zusammensetzungen setzt Wasserstoff unterschiedlich frei, weshalb das Wasserstoffüberwachungssystem darauf abgestimmt sein muss. Dieser Beitrag hilft Rechenzentrumsingenieuren und -planern, die wichtigsten Kriterien für ein Wasserstoffgasüberwachungssystem in USV-Batterieräumen zu verstehen.
Diese Information ist aktuell. Da Unternehmen immer mehr Rechenzentren zur Unterstützung von KI errichten, wächst auch der Bedarf an Standby-Batteriekapazität. Batteriespeicher im Versorgungsmaßstab wachsen sogar noch schneller, stellen aber eine andere Anwendung dar, die von anderen Teams entwickelt und betrieben wird. Wir behandeln dieses Thema in einem separaten Beitrag zur Wasserstoffüberwachung für Lithium-Ionen-Batteriespeichercontainer.
Die Chemie legt die Überwachungsanforderungen fest.
Bleiakkumulatoren, sowohl VRLA- als auch VLA-Batterien, setzen beim Laden und unter anormalen Bedingungen Wasserstoff frei. Das Gas reichert sich langsam und vorhersehbar an, daher ist die Überwachung von Bleiakkumulatoren darauf ausgelegt, die Wasserstoffansammlung im Laufe der Zeit zu erkennen. Die Zeit, die ein Sensor benötigt, um Wasserstoff zu detektieren und ein Signal zu senden, kann mehrere Minuten betragen, ohne die Sicherheit zu beeinträchtigen.
Lithium-Ionen-Akkus verhalten sich anders. Im Normalbetrieb setzen sie keine nennenswerten Gase frei. Sie entlüften sich nur unter anormalen Bedingungen, wie beispielsweise bei einem thermischen Durchgehen. Dies geschieht, wenn mechanische Belastung, ein Herstellungsfehler, elektrischer Missbrauch oder äußere Hitze die schützende SEI-Schicht (Solid Electrolyte Interphase) des Akkus zerstört. Die Zellen erleiden interne Kurzschlüsse, und es entsteht Hitze. Dabei bilden sich Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und andere Gase. Der Wasserstoff kann unter bestimmten Bedingungen brennen und sogar explodieren.
Batteriemanagementsysteme (BMS) überwachen Spannung, Stromstärke und Temperatur, jedoch nicht Wasserstoffgas. Deshalb beziehen sich Sicherheitsstandards direkt auf brennbare Gase.
In Räumen mit beiden Batterietypen muss das Überwachungssystem beide berücksichtigen. Das HY-SIGHT-Display von H2scan kann Messwerte anzeigen und sowohl die Standard-HY-GUARD-Monitore für Blei-Säure-Batterien als auch die HY-GUARD RS-Monitore für Lithium-Ionen-Batterien gleichzeitig verwalten.
Was die Normen fordern
NFPA 855 befasst sich mit stationären Energiespeichersystemen und USV-Projekten für Rechenzentren mit Lithium-Ionen- und Blei-Säure-Batterien, die üblicherweise gemäß dieser Norm ausgelegt werden, vorbehaltlich der jeweiligen lokalen Zuständigkeit. Wasserstoff ist ab einer Konzentration von 4 Vol.-% entzündbar, der sogenannten unteren Explosionsgrenze (UEG). Für beide Gase muss der Wasserstoffgehalt auf einem sicheren Niveau gehalten werden. NFPA 855 schreibt vor, dass Maßnahmen ergriffen werden müssen, lange bevor der Wasserstoffgehalt die UEG erreicht (Gas-Luft-Verhältnis 4:1), um die Umsetzung des Gefahrenabwehrplans (HMP) des Standorts zu ermöglichen. Die Ausgabe 2026 fordert für Lithium-Batteriesysteme Explosionsschutz- und -kontrollsysteme gemäß NFPA 69, der Norm für Explosionsschutzsysteme.
Wird die Gasdetektion zur Aktivierung eines Systems zur Reduzierung der Konzentration brennbarer Gase, wie z. B. einer Abluftanlage, eingesetzt, fordert NFPA 855 gemäß einer Deflagrationsstudie nach NFPA 69 ein zugelassenes, kontinuierliches Gasdetektionssystem, das dieses bei maximal 10 % der unteren Explosionsgrenze (UEG) aktiviert, was 0.4 % Wasserstoff entspricht. Die Belüftung muss anschließend so lange in Betrieb bleiben, bis die Konzentration brennbarer Gase im Durchschnitt 25 % der UEG bzw. 1 % Wasserstoff nicht überschreitet. Das Belüftungssystem und seine Komponenten gelten als sicherheitskritische Systeme und werden von einer Überwachungsstation gemeldet.
International regelt die IEC 62485-2 stationäre Blei-Säure- und Nickel-Cadmium-Batterien, einschließlich Wasserstoffbelüftung, und die IEC 62485-5 stationäre Lithium-Ionen-Batterien. Versicherer ergänzen diese Anforderungen. Das FM Global Datenblatt 5-32 behandelt Rechenzentren und zugehörige Einrichtungen.
Wo USV-Batterien wohnen
Die USV-Batterien von Rechenzentren werden üblicherweise in separaten Räumen mit den erforderlichen Brandschutzwänden und Sicherheitssystemen installiert. Betreiber errichten diese Räume oft als an das Gebäude angeschlossene Module, wodurch die Batterien vom restlichen Gebäude getrennt sind. Alternativ verwenden einige Betreiber vorgefertigte Leistungsmodule, die USV, Batterien und Schaltanlagen in einem wetterfesten Gehäuse vereinen. Anbieter bieten Module von mehreren hundert kVA bis über ein Megavoltampere an. Manche Rechenzentren in Bürogebäuden nutzen Blei-Säure-Batterien für ihre USV-Systeme, während Colocation-Anbieter mitunter Lithium-Ionen-Batterien in separaten Bereichen unterbringen. In diesen Innenräumen ist die Wartung der Sensoren der wichtigste praktische Aspekt.
Im Gegensatz zu einem BESS-Container können diese Räume und Kapseln von Personen genutzt werden. Techniker betreten sie, um die Anlagen zu inspizieren, zu testen und zu warten. Daher ist der Zustand des Raumes entscheidend, bevor jemand die Tür öffnet. Außerhalb des Raumes oder der Kapsel sollten Anzeigen angebracht werden, die den Zustand – einschließlich der Frage, ob ein Betreten sicher ist – anzeigen. Ein Wasserstoffüberwachungssystem, das den Status außerhalb des Bereichs meldet, liefert den Technikern diese Information, bevor sie den Raum betreten.
Bei Brownfield-Standorten kommt eine weitere Herausforderung hinzu. Befindet sich ein USV-Batterieraum in einem bestehenden Gebäude, muss er unter Umständen nachgerüstet werden, um die aktuellen Sicherheitsanforderungen, einschließlich der Wasserstoffdetektion, zu erfüllen. Bestehende Räume wurden nicht immer unter Berücksichtigung dieser Anforderungen konzipiert, und der Platz für neue Geräte kann begrenzt sein. Die Wasserstoffdetektion ist besonders wichtig dort, wo sich Personen im Raum aufhalten oder wo sich die Batterien im Gebäude befinden, da die Folgen eines Gasaustritts die Personen und die umliegende Struktur betreffen. Nachrüstungsprojekte profitieren von Überwachungssystemen, die sich einfach installieren lassen und anschließend nur wenig Wartung benötigen.
Deckenhöhensensoren und der Wartungsaufwand
Gasüberwachungssysteme müssen in Deckennähe angebracht werden, da Wasserstoff leichter als Luft ist. Die Sensoren können in einer Höhe von 15 Metern oder mehr direkt an der Decke installiert werden, sodass Techniker für Wartungsarbeiten Leitern benutzen müssen. Zur Kalibrierung eines herkömmlichen Sensors muss der Techniker eine schwere Flasche Kalibriergas tragen, was ein Sturzrisiko birgt und die Einhaltung der Dreipunktkontakte gemäß OSHA-Vorschriften gefährdet. Alternativ kann eine Hebebühne verwendet werden, die jedoch in einem mit Racks vollgestellten Raum schwer zu manövrieren ist. In beiden Fällen ist die Wartung mit einem erheblichen Arbeitsaufwand verbunden.
Die Wartung von Sensoren wird allzu oft vernachlässigt oder aufgeschoben, was zu einer Sicherheitslücke im Gefahrenabwehrplan (HMP) führt und potenziell schwerwiegende Folgen haben kann. In Lagerräumen für Lithium-Ionen-Batterien ist diese Lücke besonders relevant, da sich die Gefahr dort schneller entwickelt. Ein Wasserstoffmonitor für einen Batterieraum sollte über selbstüberprüfende Elektronik verfügen und seinen Zustand melden.
Reaktionsgeschwindigkeit
Sobald eine Lithium-Ionen-Zelle Gase abgibt, können sich die Bedingungen in einem Raum schnell ändern. Jede Sekunde Verzögerung bei der Erkennung verkürzt die Zeit zum Lüften und Reagieren. FM Global berichtet, dass in Tests die Zeitspanne zwischen Gasaustritt und thermischem Durchgehen etwa fünf bis 20 Minuten betrug. Ein Überwachungssystem, das innerhalb von Sekunden reagiert, nutzt dieses Zeitfenster, anstatt es zu verschwenden. In Räumen mit Blei-Säure-Batterien kann eine Reaktionszeit von mehreren Minuten aufgrund des langsamen Wasserstoffanstiegs toleriert werden. Bei Lithium-Ionen-Batterien gehört die Reaktionsgeschwindigkeit zu den wichtigsten Spezifikationen, da eine schnelle und zuverlässige Wasserstofferkennung ein praktischer Bestandteil der Brandverhütung von Lithiumbatterien ist.
Kalibrierung und Prüfung
Ob Lithium-Ionen-Batterien in einem USV-Raum eines Rechenzentrums oder in einem Colocation-Bereich stehen – die Frage ist, ob der Betreiber das Sicherheitssystem zuverlässig und kosteneffektiv warten kann. Jedes Gaswarngerät, das Funktionstests oder Kalibrierungen erfordert, zwingt den Betreiber letztendlich dazu, zwischen Wartungsverzicht und dem Eingehen eines Risikos zu wählen. Ein selbstkalibrierender Sensor vermeidet diese Wahl. Mit HY-GUARD ist kein Kalibriergas erforderlich, das über eine Leiter transportiert werden muss, und es sind keine Kalibrierungstermine zu vereinbaren, da sich der Sensor kontinuierlich selbst kalibriert.
Seien Sie vorsichtig bei Monitoren, die mit dem Hinweis „Kalibrierungsfrei“ beworben werden. Oft bedeutet dies lediglich, dass die Kalibrierungsdrift verlangsamt wurde, nicht aber, dass die Genauigkeit überprüft wird. Dadurch kann sich die Genauigkeit unbemerkt verschlechtern, bis es zu einem Vorfall kommt. Andere Konstruktionen begrenzen die Drift durch den regelmäßigen Austausch der Sensoren, was wiederum Wartungsarbeiten und Kosten verursacht. Berücksichtigen Sie diese Kosten in den Gesamtbetriebskosten.
Auswahl des richtigen Wasserstoffgasmonitors für USV-Räume
Bei jeder USV-Installation kommt es bei der Sicherheit und Überwachung von Lithium-Ionen-Batterien im Wesentlichen auf drei Dinge an:
- Die Reaktionsgeschwindigkeit des Wasserstoffsensors entspricht der Ausfallgeschwindigkeit von Lithium-Ionen-Batterien.
- Genauigkeit des Wasserstoffsensors, die sich nicht unbemerkt verschlechtert.
- Wasserstoffgasüberwachung, die Wartungskosten minimiert und die Gefährdung von Arbeitern reduziert.
Diese Eigenschaften bestimmen die Gesamtbetriebskosten und sogar, ob das Sicherheitssystem funktioniert, wenn es am wichtigsten ist.
Diese Anforderungen dienten als Grundlage für die Entwicklung des HY-GUARD® RS Gasüberwachungssystems von H2scan für Lithium-Ionen-Batterien.
HY-GUARD RS Wasserstoffgasüberwachungssystem:
- Entwickelt für Lithium-Ionen-Geschwindigkeit: Der Monitor reagiert in weniger als 10 Sekunden.
- Kalibriert sich kontinuierlich selbst: Keine Kalibrierflaschen, keine Leitern, keine Aufzüge und kein Klettern zu deckenmontierten Sensoren. Patentierte Halbleitersensortechnologie kalibriert sich kontinuierlich selbst.
- Selbstprüftechnologie: Der Monitor überprüft den Zustand seiner eigenen Elektronik und vermeidet so das Risiko, fälschlicherweise anzunehmen, ein Monitor funktioniere nur, weil seine grüne Leuchte leuchtet.
- Wartungsfrei: Über 10 Jahre Lebensdauer ohne routinemäßige Nachkalibrierung im Feld.
- Skaliert über eine einzelne Modbus-Daisy-Chain: Durch die Reihenschaltung von Sensoren an ein Überwachungssystem lässt sich der Elektronikaufwand reduzieren und die Systemkosten senken. Die HY-GUARD-Plattform ermöglicht es Planern, zusätzliche Einheiten anzuschließen, ohne an jedem Sensorpunkt die gesamte Elektronik erneut installieren zu müssen.
Der optionale Controller HY-SIGHT™ mit Display versorgt und steuert bis zu vier HY-GUARD RS- oder Standard-HY-GUARD-Monitore. Er ermöglicht die schnelle Überprüfung und Steuerung der angeschlossenen Monitore und bietet Modbus-RTU-, 4-20-mA- und direkte Sicherheitsrelais-Ausgänge. Zudem speichert er Verlaufsdaten und protokolliert diese zur Analyse. Ein solches Display, das außerhalb eines Batterieraums oder einer Batteriekapsel montiert wird, zeigt den Status aller Monitore im Raum an, bevor jemand den Raum betritt.
Sprechen Sie mit einem Experten über Ihre Wasserstoffüberwachungssituation und entdecken Sie Strategien zur Minimierung der Wartungskosten bei gleichzeitiger Verbesserung der Sicherheit.
Kontaktieren Sie uns , um die für Ihre Einrichtung passende Technologie zu besprechen.
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