Rechenzentrum mit Schwung

Durch einen Performance-Sprung beim Wirkungsgrad und eine lange Lebensdauer verringern schwungradbasierte Lösungen die Belastungen erheblich. Denn Rechenzentren sind Stromfresser. In Deutschland verbrauchen sie nach Angaben des Borderstep Instituts ungefähr die Jahresproduktion von vier mittelgroßen Kohlekraftwerken – für den Betrieb der IT-Last als solcher sowie der für ihren Betrieb notwendigen Infrastruktur Klimatisierung und Stromversorgung. Im Vergleich mit der Klimatisierung nimmt sich der Verbrauch durch die USV-Anlagen zwar bescheiden aus, aber wenn es darum geht, die Betriebskosten im Rechenzentrum bzw. den PUE-Wert („Power Usage Effectivness“) zu senken, lohnt sich ein Blick auf das Einsparpotential.

USV-Systeme sichern die Versorgung kritischer Lasten bei Stromstörungen. Die in Rechenzentren üblicherweise eingesetzten Doppelwandler nutzen Batterien als Energiespeicher. Die dafür erforderlichen Wandlungsprozesse verringern den Wirkungsgrad, die Verluste werden als Wärme abgeführt. Da der Wirkungsgrad ausschlaggebend ist für den Stromverbrauch und damit auch für die Höhe der Betriebskosten, steht er bei der Optimierung der weitestgehend ausgereiften USV-Technologie im Mittelpunkt. Ein guter Wirkungsgrad kommt jedoch nur bei einer Auslastung der USV von 70 bis 90 Prozent zum Tragen. Wird die Last, wie im Rechenzentrum im redundanten Betrieb üblich, auf zwei oder mehr Anlagen aufgeteilt, sinkt er fast direkt proportional zur Last, denn der Basisbedarf bleibt unabhängig davon bestehen.

Hier punkten Techniken der Energiespeicherung, die ohne Wandlungsprozesse arbeiten und damit den Basisbedarf gering halten. So kann ein Schwungrad Energie in ­rotierenden Massen speichern. Im Normalbetrieb dreht sich das Schwungrad mit gleichbleibender Geschwindigkeit; die Last wird aus dem Versorgungsnetz gespeist.

Wird dieser Stromfluss unterbrochen, wandelt das System die im Schwungrad gespeicherte Energie in elektrische Energie um. Liegt wieder Spannung vom Versorgungsnetz an, schaltet das System sowohl die Last als auch das Schwungrad für die Wiederaufladung auf das Versorgungsnetz zurück. Die Startbedingungen für Notstromaggregate liegen je nach Land zwischen zwölf und 15 Sekunden für den Volllastbetrieb. USV-Syste­m­e mit Schwungradtechnologie sind für das Startverhalten der Dieselaggregate ausgelegt und überbrücken die Startzeit des Dieselgenerators.

Da das Schwungrad-Verfahren sehr kurzfristig hohe Energiemengen bereitstellen kann, eignet es sich für die zuverlässige Absicherung großer Lasten bei Kurzzeitausfällen: neben Rechenzentren ab Bitkom-Kategorie C bzw. Tier III auch Produktionsprozesse, deren Unterbrechung durch Störungen in der Netzversorgung hohe Ausfallkosten nach sich zieht. Erhältlich sind Flywheel-Systeme im Leistungsbereich ab 250 kVA, also auch für kleinere Rechen­zentren mit 20 bis 25 Racks.

Schwungrad-Anlagen sind teurer als USV-Anlagen derselben Leistungsklasse in herkömmlicher Bauweise. Trotzdem machen sie sich innerhalb kurzer Zeit bezahlt durch Einsparungen insbesondere beim Ersatz von Batterien und bei den Stromkosten. Die Batterien für eine Überbrückungszeit von 15 Minuten bei einer 500-kVA-Anlage kosten 20.000 Euro, in den etwa zehn bis zwölf Jahren Lebenszeit einer USV-Anlage fallen für den Batterie-Tausch weitere ca. 40.000 Euro an.

Schwungräder dagegen altern nicht und können 20 Jahre lang genutzt werden. Während eine Flywheel-USV im Temperaturbereich von 0° C bis 40° C ohne Einschränkungen arbeitet, benötigen Batterien eine Umgebungstemperatur von 20 °C bis 25 °C. Die Kosten für die Kühlung belaufen sich auf 15.000 Euro pro Jahr. Geht man bei der Schwungrad-USV von einem um vier Prozentpunkte höheren Wirkungsgrad gegenüber einem Doppelwandler aus, liegen die Einsparungen für den Betrieb der USV im Jahr bei rund 380.000 kWh bzw. 45.600 Euro. Auch die Umwelt profitiert: Der CO2-Ausstoß vermindert sich deutlich.