Schwungräder als Alternative

Im Rechenzentrum fällt nicht nur der Stromverbrauch der eigentlichen IT-Lösungen an. Nach Bitkom-Angaben entfällt die Hälfte der Energieaufnahme auf die für den Betrieb des Rechenzentrums erforderlichen Infrastrukturlösungen Klimatisierung und unterbrechungsfreie Stromversorgung. Der Anteil der Stromversorgung beläuft sich Schätzungen zufolge auf sechs bis 15 Prozent des Gesamtbedarfs. Investitionen in energieeffiziente USV-Systeme leisten deshalb einen Beitrag zu Einsparungen bei den Betriebskosten und zur Verringerung von Umweltbelastungen.

USV-Systeme sichern die Versorgung kritischer Lasten bei Stromstörungen. Üblicherweise werden in Rechenzentren Doppelwandler (VFI-SS-III) eingesetzt, die Batterien als Energiespeicher nutzen. Die entscheidende Größe für den Energieverbrauch ist der Wirkungsgrad als das Verhältnis von Ausgangs- zu Eingangsleistung unter festgelegten Betriebsbedingungen. Er beeinflusst nicht nur den Stromverbrauch für den Betrieb der USV, sondern auch die Kosten der Klimatisierung, da die Verlustleistung gekühlt werden muss. Außerdem müssen die Batterien gekühlt werden.

Wirkungsgradverluste entstehen, da alle Typen von USV-Anlagen eine Basisleistung beispielsweise für Steuerung und Ladeerhaltung aufnehmen. Bei Doppelwandlern kommen zusätzlich die Wandlungsprozesse hinzu, die im Zusammenhang mit der Energiespeicherung in Batterien anfallen. Wird die Last, wie im Rechenzentrum üblich, auf zwei oder mehr Anlagen aufgeteilt, sinkt der Wirkungsgrad fast direkt proportional zur Last, denn der Basisbedarf ist unabhängig davon. Die guten Werte, die Doppelwandler heute erzielen, resultieren aus dem Einsatz optimierter Stromrichterventile und digitaler Komponenten in IGBT-Technik (Isolated Gate Bipolar Transistor), aber auch aus dem sogenannten Eco-Modus, dem Betrieb der USV über den Bypass, allerdings unter Verzicht auf Funktionen der Spannungsaufbereitung. Messungen im Praxisbetrieb, die das Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) an batteriegestützten USV-Systemen im Normalmodus vorgenommen hat, zeigen Werte von meist 80 bis 90 Prozent bei einer Belastung von 33 Prozent.

Kinetik statt Chemie

Eine Alternative zur Energiespeicherung in Batterien sind USV-Techniken, die einen geringeren Aufwand für die Wandlungsprozesse betreiben müssen und temperaturunempfindliche Energiespeicher nutzen. Dafür kommen Schwungräder (Flywheels) in Frage, die Energie in rotierenden Massen speichern. Diesen Ansatz hat Active Power für das USV-System „CleanSource UPS“ aufgegriffen. Der Wirkungsgrad der auf Flywheels basierenden USV-Systeme liegt LBNL-Untersuchungen zufolge bei 98 Prozent bei optimalen Lastbedingungen und sinkt selbst bei ungünstigen Lastverhältnissen von 33 Prozent nicht unter 95 Prozent.

Bei diesen USV-Systemen dreht sich das Schwungrad im Normalbetrieb 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. Da keine elektrochemischen Prozesse stattfinden, arbeiten die Anlagen ohne Einschränkungen im Temperaturbereich von 0 °C bis 40 °C. Sie eignen sich für die Absicherung großer Lasten bei Kurzzeitausfällen und überbrücken die Startzeit des Dieselgenerators, der in IT-Stromversorgungssystemen die Hochverfügbarkeit für kritische Verbraucher sicherstellt.

Die Kosten
Schwungrad-USV-Anlagen sind teurer als USV-Anlagen derselben Leistungsklasse in herkömmlicher Bauweise. Bezahlt machen sie sich etwa durch Einsparungen bei den Kosten für Batterien und Strom. Die Batterien einer 500-kVA-Anlage für eine Überbrückungszeit von 15 Minuten kosten 20.000 Euro, in den etwa zehn bis zwölf Jahren Lebenszeit einer USV-Anlage fallen für einen Batterietausch mindestens ca. weitere 20.000 Euro an. Die Kosten für die Kühlung der Batterien belaufen sich auf ca. 15.000 Euro pro Jahr. Geht man bei einer 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. Der CO2-Ausstoß vermindert sich um bis zu 273 Tonnen jährlich.

Bildquelle: Active Power