Derups: Alternative zur klassischen USV-Anlage

Hinter „Diesel Rotary Uninterruptible Power Source, verbirgt sich eine besondere Form der unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV). Bei dieser zur Notstromversorgung eingesetzten Lösung kommt eine Netzersatzanlage, Gensets genannt, in Kombination mit rotierenden Schwungmassen (Power Bridge) zum Einsatz. Die Schwungmassen in der rotierenden Anlage sind ständig in Bewegung und produzieren kinetische Energie. Derups ist eine alternative Lösung zu Batterien für eine Überbrückung der Stromversorgung. Das System liefert Energie zum Ausgleich von Kurzzeitunterbrechungen, die typischen „Flicker“ und für andere Überbrückungen oder einem Ausfall der Netzversorgung in Rechenzentren. Die Energie in den Schwungmassen wird bei Bedarf freigesetzt und liefert die Versorgung für die Verbrauchsquellen.

Netzersatzanlagen werden bei Verlust der Netzseite oder längerfristigen Unregelmäßigkeiten, die länger als eine Sekunde anhalten, gestartet und übernehmen gleitend die Stromversorgung der Verbraucher. Die Derups-Systeme werden von den Gensets wieder aufgeladen, um diese parallel zur Einspeisung der Netzersatzanlage zu betreiben. Über diese Lösung lässt sich eine stabile Versorgung für den Rechenzentrumsbetrieb aufrechterhalten, bis die originäre Stromversorgung des externen Energieversorgers wieder zur Verfügung steht.

Energiewende: Einfluss auf die Stromversorgung

Die in Deutschland bislang weitgehend stabile Stromversorgung könnte durch die Einspeisung erzeugter alternativer Energievarianten beeinträchtig werden. Denn die von der Regierung forcierte Energiewende hat großen Einfluss auf das Funktionieren der Stromnetze und die Verteilung der Energie. Durch die diversifizierte Energieerzeugung mischen sich verschiedene Energiearten und Erzeugerquellen, d.h. in der Gewinnungsform und auf die Standorte bezogen. Netzbetreiber haben keinen Einfluss auf den Strom, der zum Beispiel von privaten Photovoltaik-Anlagen oder großen Windkraftparks eingespeist wird. Im Zuge eines regelnden und ausgleichenden Energiemanagements werden Kraftwerke bei erzeugten Überkapazitäten temporär runtergefahren.

Die Verteilung der Energien innerhalb der Stromnetze in Deutschland ist eine logistische Herausforderung durch gegebene Übertragungskapazitätsgrenzen der Infrastruktur. Windkraft wird in Norddeutschland produziert, während die größten Verbraucher sich eher im Süden Deutschlands befinden. Die existenten Stromnetze sind noch nicht so ausgelegt, dass große Mengen durch Wind erzeugter Energie vom Norden in den Süden transportiert werden können. Das Trassennetz muss dafür deutlich ausgebaut werden. In Bayern werden darüber kontroverse Diskussionen seitens der Bevölkerung und in der Politik geführt.

Die konventionellen Kraftwerke liefern deutlich mehr Strom, teilweise das Doppelte von der addierten Menge der alternativen Stromquellen. Ziel und Pflicht der Energiewende ist deren kontinuierliche Abschaltung und Substitution durch alternative Energien. Wie soll jedoch das Wetter zum Ausgleich gesteuert werden? Ein Hochfahren von Sonne und Windverfügbarkeit ist unmöglich. Solarstrom wird im Herbst und Winter witterungsbedingt zwangsweise rückläufig. Wind ersetzt nicht nachts Sonne. Die Natur hat großen Einfluss auf diese alternative Energiegewinnung. Der Einsatz von Biomasse beeinflusst bei der Stromgewinnung die Umwelt negativ durch den CO2-Effekt. Diese Produktion massiv als Ausgleich für Kernkraftwerke zu erhöhen, ist nicht zielführend.

Technische Risiken für RZ-Betreiber

Der Standort der alternativen Stromerzeugung und der Ort der Nutzung sind in der Regel abweichend. Ein Nachregeln von Kraftwerken oder ein Schwarzstart von Kraftwerken ist problematisch. Schwarzstart bedeutet das Anfahren eines Kraftwerkes oder eines -blocks unabhängig vom Stromnetz. Nicht alle Kraftwerke sind schwarzstartfähig. Spezielle Kraftwerke, etwa Kohle- oder Kernkraftwerke, benötigen ein hohes Maß an elektrischer Energie, bevor sie selbst Energie erzeugen. Wasserkraftwerke oder Druckluftkraftwerke sind in der Regel schwarzstartfähig. Sollten keine Kraftwerke mit Schwarzstartfähigkeit im Verbund verfügbar sein kann ein Kernkraftwerk, da es keine externe Energie hat, nicht anfahren und Energie liefern.

Typische Frequenzabweichungen sind darüber hinaus eine große Herausforderung für Energieversorger. Zur Vermeidung eines Netzzusammenbruchs durch Unterfrequenz gibt es in Deutschland den 5-Stufen-Plan für den Lastabwurf. Für den automatischen Lastabwurf der Stufen 2 bis 4 werden elektronische Frequenzrelais eingesetzt. Bei Stufe 5 müssen sich alle Kraftwerke automatisch vom Netz trennen. Die unmittelbare Folge wäre ein kompletter Versorgungszusammenbruch. Wie sich die Energiewende und die variable Stromzusammensetzung auf die Stromverfügbarkeit und Frequenzaussteuerung für die IT-Versorgung in Rechenzentren auswirken, wird die Zukunft zeigen.

Als Sicherheitsfaktor ist ein übergreifendes Verbundnetz über die Länder der Europäischen Union hinweg verteilt. Dadurch stützen sich die unterschiedlichen Stromnetze gegenseitig. Die Gefahr kurzer „Wischer“ durch Frequenzschwankungen nimmt zu. Diese können sowohl bei einer Zuschaltung als auch Abschaltung oder Umschaltung auftreten. Kurzschlüsse oder Defekte und damit verbundene Schalthandlungen können ebenso dazu führen.

Schon heute müssen die Energieversorger deutlich öfter bei der Stromversorgung regulierend eingreifen, als das noch vor ein paar Jahren nötig war. Wenn das Szenario, dass das Stromnetz in Deutschland, ohne weitere Ausbaumaßnahmen instabiler wird, so eintritt, kann das von einem Rechenzentrumsbetreiber ausgeglichen werden. Spannungsschwankungen bekommen Mieter in Rechenzentren, mit entsprechenden technischen Ausstattungen, nicht mit. Professionelle Betreiber wie die Telehouse Deutschland GmbH stützen automatisch in der Versorgungsinfrastruktur diese Abweichungen ab und gleichen sie mit den bereitgestellten Systemen aus. Als RZ-Betreiber hat man die Aufgabe, die Spannung der Stromversorgung immer stabil zu halten. Die Notwendigkeit gilt genauso für Rechenzentren von Unternehmen im Eigenbetrieb.

Kritische Verbraucher wie Server reagieren bei Netzausfällen größer 10 ms. In diesem Fall kann es zu empfindlichen Datenverlusten oder gar zu einem Totalausfall der IT kommen. Um dies zu vermeiden, ist eine unterbrechungsfreie Stromversorgung essentiell. Die Kernfrage ist dabei, wie lange will man die Stromzufuhr überbrücken und mit welcher Methode? Kinetische Energiespeicher sind eine Alternative zu Batteriesystemen in Rechenzentren. Welche der beiden Lösungen, Batterie oder kinetische Energiespeicher, in Rechenzentren eingesetzt wird, ist letztlich von zwei Faktoren abhängig: Hier spielt einmal die benötigte Leistung eine Rolle und auch die Art des Designs, das bedeutet zentral oder dezentral.

Grundsätzlich kann der Start der Netzersatzanlage bei Unregelmäßigkeiten oder gar Ausfällen hinausgezögert werden. Ob dies gewünscht ist, muss über eine Risikoanalyse bewertet werden. In der Regel ist die Frequenz der Spannung nach einem kurzen Intervall wieder stabil und die Netzersatzanlage muss nicht eingeschaltet werden. Als USV eingesetzt, ist die bereitzuhaltende Leistung und die Überbrückungszeit durch Derups ausschlaggebend.

Energie wird erzeugt, gewandelt und verteilt

Die Methode funktioniert wie folgt: In einem Schwungmassenspeicher wird kinetische Energie in einer rotierenden Schwungmasse gespeichert, die von einer elektrischen Maschine angetrieben wird. Diese wird über eine Wechselrichtersteuerung mit variabler Frequenz gesteuert. In dem Prozess wird elektrische Energie in kinetische, also Rotationsenergie umgewandelt. Die wird in der Schwungmasse gespeichert und bei Bedarf in elektrische Energie zurückgewandelt.

Zur Sicherstellung der Redundanz (n+1, n+2 oder n+n) sind die Maschinen in einem speziellen Bus-System, genannt IP-Bus (Isolated Parallel Bus), eingebunden. Die Lastverteilung erfolgt automatisch, ohne aktive Schalteingriffe einer Person. Die an die Anlage angeschlossenen Kunden, d.h. ihre Server und IT-Infrastrukturen werden in einer Ausfallphase weiter mit Energie versorgt. Die automatische Lastverteilung zwischen den Anlagen geschieht in einem Ringsystem über zwischengeschaltete Drosseln. Der Bus ist als Ringsystem konzipiert. Diese Konfiguration führt zu einer hohen Redundanz, einer erhöhten Wartungsfreundlichkeit und Fehlertoleranz der USV-Anlage. Generell gilt:

• Alle Einheiten teilen sich die Last gleichmäßig durch den IP-Bus
• Im Falle eines Ausfalles einer Anlage wird die entsprechende Last automatisch von der in Funktion verbleibenden Derups-Einheit eingebracht, ohne auf irgendwelche Schaltungen angewiesen zu sein
• Im Falle eines Kurzschlusses auf der Verbraucherseite wird hauptsächlich die versorgende Anlage mit dem Kurzschlussstrom beaufschlagt

Bei einem Stromausfall liefert die USV-Anlage die benötigte Energie unterbrechungsfrei an die Verbraucher. Bei Netzwiederkehr erfolgt eine synchronisierte und weiche Rückschaltung. Die Netzersatzanlage, die gegebenenfalls gestartet ist, wird nach einer Nachlaufzeit von in der Regel fünf Minuten ausgeschaltet. Die Lastverteilung in dieser USV-Anlage erfolgt ausschließlich über Drosseln und den angeschlossenen Bus. Bei gleichmäßiger Verteilung der Verbraucher ist die Energielast im IP-BUS 0. Lediglich bei unterschiedlichen Lasten an den Verbraucherabgängen wird diese untereinander verteilt, so dass am Ende alle USV-Anlagen eine gleichmäßige Leistung entweder in den IP-BUS oder direkt an den angeschlossenen Verbraucher liefern.

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