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  • Aus der Versenkung geholt

Die RZ-Branche boomt und ein Ende der Entwicklung ist nicht absehbar. Doch der Erfolg hat seinen Preis: Die Rechenzentren in Deutschland verbrauchen so viel Strom wie nie zuvor und es ist nicht absehbar, dass es mittelfristig zu einer Trendwende kommt. Das genaue Gegenteil ist der Fall, in den kommenden Jahren wird der Strombedarf sogar noch massiv zunehmen. Energieeffizienz ist daher das Gebot der Stunde. Doch der Spielraum ist begrenzt, das Potenzial ausgereizt. Doch ausgerechnet der Eco-Modus, ein altbekannter USV-Energiesparmodus, verspricht neue Möglichkeiten der Effizienzsteigerung. 

Es gibt heute kaum ein Rechenzentrum, welches es sich noch erlauben kann, auf das Einsparpotenzial von Freikühlsystemen, Virtualisierungslösungen und energieeffiziente Serverhardware zu verzichten. Und der Erfolg gibt den Betreibern recht: Als mit dem Anstieg der EEG-Umlage die Stromkosten deutlich angezogen wurden, gelang es mit diesen und anderen Maßnahmen den rasant wachsenden Stromverbrauch deutscher Rechenzentren einzudämmen und den Energiebedarf zu stabilisieren. Doch das ist bereits 10 Jahre her, heute stehen hiesige Rechenzentren vor der nächsten Herausforderung: dem Energiehunger der Digitalisierung. Cloud-Computing, IoT, Big Data, Smartphones, Tablets, Videostreaming – all diese Trends treiben den Bedarf nach Datenspeicher, Rechenkapazität und Energie in schwindelerregende Höhen. Die Konsequenz ist erschlagend simpel. Nimmt die Rechenleistung zu, steigt auch der Energiebedarf entsprechend an. Was bedeutet das? Liegt der jährliche Stromverbrauch deutscher Rechenzentren schon heute bei 12,4 Terawattstunden, so wird er nach einer Studie, die jüngst im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie erarbeitet wurde, bis zum Jahr 2025 sogar auf 16,4 Terawattstunden anwachsen. Hersteller und RZ-Betreiber stehen daher vor einem Dilemma, da allen Effizienzfortschritten zum Trotz, gerade im Hochstrompreisland Deutschland dringend neue Energiesparlösungen etabliert werden müssen. 

Die Suche beginnt 

Wo also liegen ungenutzte Einsparpotenziale und wie können sie erschlossen werden? In den Fokus rückt bei diesen Fragen schnell die Infrastruktur. Folgt man dem Bitkom-Leitfaden zur Energieeffizienz in Rechenzentren, ist diese im Durchschnitt noch immer für fast die Hälfte des gesamten Strombedarfs eines Rechenzentrums verantwortlich. Und wie in einem Reflex gilt die meiste Aufmerksamkeit der energieaufwändigen Klimatisierung. Der Energiehunger von Anlagen zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) wird dabei häufig unterschätzt. Mit einem Anteil von durchschnittlich etwa 12 Prozent des Gesamtstromverbrauchs sind diese Systeme allerdings ein bedeutender Energieposten. Zumal die hohen Verlustleistungen der USV vollständig in Wärme umgewandelt und unter hohem Energieaufwand wieder heruntergekühlt werden müssen. Wenn die Energiebilanz im Rechenzentrum verbessert werden soll, führt folglich auch an einer energetischen Betrachtung der USV-Technik kein Weg vorbei. 

Die Unvereinbarkeit von Redundanz, Doppelwandlertechnik und Energieeffizienz 

USV-Anlagen sind allerdings eine schwer zu knackende Nuss, gerade mit Blick auf den Wirkungsgrad. Als besondere Herausforderung haben sich dabei zwei Aspekte erwiesen: hohe Redundanzlevel und energieintensive Doppelwandlertechnik. Umgebungen mit Hochverfügbarkeitsanforderungen können weder auf das Eine, noch auf das Andere verzichten. Doch der ausgezeichnete Schutz und die hohe Ausfallsicherheit, die Redundanz und Doppelwandlersysteme bieten, gehen zwangsläufig zu Lasten der Energieeffizienz. Gerade Mehrfachauslegungen von USV-Anlagen haben zur Folge, dass die Verlustleistung der USV-Anlage zum Teil drastisch zunimmt. Denn je höher die Redundanz, desto niedriger fällt die durchschnittliche Auslastung einzelner Anlagen aus. Schon bei einer 2N-Redundanz sinkt die maximale, theoretisch erreichbare Auslastung der Einzelanlagen auf 50 Prozent. Eine Auslastung von 70 bis 80 Prozent ist unter energetischen Gesichtspunkten bei den meisten Anlagen optimal, nur so kann ein gleichbleibend hoher Wirkungsgrad und damit auch die geringste Verlustleistung erreicht werden. 

Ein erster Ansatz: Modulare Bauweise und Leistungsvirtualisierung 

Modulare USV-Systeme sind in modernen Rechenzentren mittlerweile die Regel. Dabei werden mehrere Einzelanlagen zu einem größeren Parallelsystem zusammengeschlossen, welches sowohl die benötigte Kapazität als auch die erforderliche Redundanz bereitstellt. Eine Last von 100 kW wird beispielsweise über drei kombinierte 50 kW-Anlagen abgesichert und nicht mehr über zwei parallel betriebene 100 kW-Anlagen. Dadurch wird eine erheblich höhere Auslastung der einzelnen Geräte erreicht, während die erforderliche Redundanz dennoch vollständig gewährleistet wird. Weitere Effizienzgewinne lassen sich durch Leistungsvirtualisierung erreichen: Bei diesem Ansatz werden einzelne USV-Module, je nach Lastzustand und benötigter Leistung, in den Leerlauf- bzw. Ruhemodus versetzt. Daraus resultiert eine deutlich höhere Auslastung der aktiven Einheiten. Moderne USV-Anlagen erreichen auf diese Weise bereits Doppelwandler-Wirkungsgrade von 94 bis 96 Prozent, auch im niedrigen Lastbereich von 25 bis 40 Prozent. 

Die Doppelwandlertechnik als Effizienzbremse? 

Dass Wirkungsgrade jenseits der 96 Prozent nicht überschritten werden, hängt maßgeblich mit der Systemarchitektur der Doppelwandlertechnik zusammen. Entsprechende USV-Anlagen versorgen die Verbraucher mit Batteriestrom, während der Netzstrom lediglich zum Laden der Batterie verwendet wird. Das heißt, der eingehende Wechselstrom wird in Gleichstrom verwandelt und anschließend über einen Wechselrichter wieder als Wechselstrom aufbereitet. Der Vorteil dieser Technologie: Durch die doppelte Wandlung wird die Last dauerhaft mit einer sauberen, vollständig regenerierten Spannung versorgt; Über- und Unterspannungen, Frequenzschwankungen und Harmonische Oberwellen werden dabei herausgefiltert. Somit bieten Doppelwandlersysteme also stets die bestmögliche Stromqualität und schützen so nicht nur vor Stromausfällen, sondern auch vor Netzschwankungen. Durch die doppelte Wandlung steigt allerdings auch zwangsläufig der Energieverbrauch, es entstehen hohe Verlustleistungen sowie zusätzliche Warmluftmengen, die unter entsprechend hohem Energieaufwand abgeführt werden müssen. Unter dem Strich lässt sich festhalten, dass der Wirkungsgrad moderner USV-Anlagen bei maximal 96 Prozent verharrt. Ein beachtlicher Wert, der aber immer noch Spielraum zulässt. 

Eine überzeugende Theorie: Der Eco-Modus 

Wie also kann eine Lösung aussehen, die sowohl Schutz als auch Energieeffizienz verspricht? Die Antwort führt zu einer Technologie, die bereits vor Jahren in der Praxis erprobt wurde, aber bald wieder in der Versenkung verschwunden ist: der Hocheffizienz- bzw. Eco-Modus. Dahinter verbirgt sich eine einfache Idee. Im „klassischen Eco-Modus“ werden Gleich- und Wechselrichter „offline“ gesetzt und in den Standby-Modus gefahren. 

Der eingehende Strom wird somit also nicht mehr über den Online-Pfad (Doppelwandlung) an die Verbraucher geführt, sondern über den statischen Bypass-Pfad. Die Doppelwandlung wird also umgangen und die Last direkt mit Netzstrom versorgt. Dabei überwachen Detektoren permanent die Stromversorgung und schalten bei Störungen sofort auf Doppelwandler- oder Batteriebetrieb um. Wenn die Netzqualität wiederhergestellt ist, wird erneut in den Eco-Modus gewechselt. Das Ergebnis ist, zumindest in der Theorie, beeindruckend: So kombiniert der Eco-Modus einen mit dem Doppelwandlerbetrieb vergleichbaren Schutz mit Wirkungsgraden von über 99 Prozent. 

Der Eco-Mode: Erst gescheitert und dann wieder auferstanden 

Doch wie so oft steckt der Teufel im Detail, oder genauer, in der Transferzeit. Gemeint ist die Dauer, welche die USV-Anlage benötigt, um vom statischen Bypass in den Doppelwandler- oder Batteriebetrieb zu wechseln. Nach den international gültigen Standards des Information Technology Industry Council (ITIC) darf diese nicht länger als einen halben Phasendurchlauf, also ca. 10 Millisekunden betragen. Ältere Eco-Modi benötigen allerdings häufig mehr als drei Phasendurchläufe bis eine Störung erfasst, der Wechselrichter aktiviert und der alternative Betriebsmodus eingeleitet wurde. Das ist eine Zeitspanne, die in Hochverfügbarkeitsumgebungen heute nicht mehr toleriert werden kann. Zu hoch ist das Sicherheitsrisiko und zu groß die Gefahr von einem kompletten Ausfall der Server. Darüber hinaus fallen im klassischen Eco-Modus die eingangs erwähnten Filterfunktionen weg. Störungen am USV-Eingang können daher für einen kurzen Moment die kritische Last erreichen und negativ beeinflussen. Trotz signifikanter Effizienzgewinne darf damit die Theorie des Eco-Modus in der Praxis als gescheitert angesehen werden. 

Zwischenzeitlich wurde viel Zeit und Geld investiert, um die Schwachstellen der ersten Generationen zu beheben. Das Ergebnis ist heute als „fortgeschrittener Eco-Modus“ bekannt. In diesem Modus erfolgt der Wechsel vom statischen Bypass-Pfad in den Doppelwandler- oder Batteriebetrieb via Halbleitertechnik. Durch den Einsatz dieser modernen Wechselrichter werden für den Transfer gerade einmal zwei bis vier Millisekunden benötigt. Wie der fortgeschrittene Eco-Modus letztlich genau aufgebaut und implementiert wird, hängt allerdings immer vom jeweiligen Anbieter ab.

  • Die Zukunft: ECOnversion-Modus

    Mit seiner Hybridlösung dem sogenannten ECOnversion-Modus ist Schneider Electric einen Schritt weiter gegangen und hat Eco-Modus und Doppelwandlertechnik miteinander vereint. Dabei kommt ein patentierter 4-Quadranten-Wechselrichter zum Einsatz, der, anders als im Eco-Modus, nicht off-, sondern online gesetzt und parallel zum statischen Bypass-Pfad geschaltet wird, also permanent mit Strom versorgt wird. Der Wechselrichter kann so bei Spannungsabweichungen unverzüglich reagieren und die Stromversorgung am USV-Ausgang übernehmen und ohne Spannungseinbruch von Netz- auf Batterie- bzw. Doppelwandlerbetrieb schalten. Selbst bei einem Kurzschluss bleibt so die Spannungsqualität am USV-Ausgang im ECOnversion-Modus gemäß Klasse 1 (VFI-SS-111) der USV-Klassifizierung EN 62040-3 komplett erhalten.

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Dazu kommt, dass im ECOnversion-Modus die Last niemals mit rohem Netzstrom versorgt wird. Da der 4-Quadranten-Wechselrichter wie ein aktiver Netzfilter arbeitet, kann er so gesteuert werden, dass er harmonische Oberwellen der 3., 5. und 7. Ordnung absorbiert und den Eingangsleistungsfaktor durchgängig auf 0,99 regelt. Ein weiterer Unterschied zum Eco-Modus ist das Batteriemanagement: Da der Wechselrichter bidirektional aufgebaut ist, bleibt die Batterie bei gleichzeitiger Spannungshaltung dauerhaft geladen, ohne dass der Gleichrichter in Betrieb genommen werden muss. Das ermöglicht dem Anwender eine hohe Flexibilität in der Betriebsart bei einer gleichzeitig dauerhaft gesicherten Versorgung. Einziger Wehrmutstropfen: Da der Wechselrichter ständig im Einsatz ist, die Batterie lädt, Störungen filtert und den Eingangsleistungsfaktor regelt, fällt die Gesamteffizienz etwas geringer als im klassischen Eco-Modus aus. Mit Werten von 98 bis 99 Prozent liegt sie aber damit dennoch mindestens 2,5 Prozent über den Werten eines modernen Doppelwandlersystems.
  • Kleine Effizienzsteigerung, großer Nutzen

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Ein Effizienzzugewinn von 2,5 Prozent scheint auf den ersten Blick nicht der große Wurf zu sein. Ein Rechenbeispiel ergibt allerdings ein anderes Bild: Ein mittelgroßes Rechenzentrum mit modernen Doppelwandlersystemen, das über einen Wirkungsgrad von 96 Prozent sowie einer Gesamtleistung von 200 kWh verfügt, kommt im Jahr auf eine Verlustleistung von rund 70.000 kW. Dazu muss noch die Klimatisierungsleistung, die zum Herunterkühlen der Verlustleistung benötigt wird addiert werden. Bei einem durchschnittlichen EER-Wert (Energy Efficiency Ratio) von 3,0 liegt diese bei knapp 23.000 kW. Damit liegt die Verlustleistung bei 93.000 kW. Legt man nun einen Strompreis von 0,15 €/kWh zu Grunde, ergibt das Gesamtkosten von 13.950 Euro im Jahr. 

Durch die Anwendung des fortgeschrittenen ECO-Modus, mit einem Wirkungsgrad von 98,5 Prozent, lässt sich dieser Betrag um rund 8600 Euro reduzieren. Hochgerechnet auf die durchschnittliche Lebensdauer einer USV von 15 Jahren, entspricht das einer Gesamtersparnis von fast 130.000 Euro. Selbst vermeintlich geringe Effizienzgewinne zahlen sich also aus, zumal moderne Rechenzentren häufig weitaus mehr als 200 kW Leistung erbringen und Doppelwandlersysteme mit Wirkungsgraden um die 96 Prozent vielmehr die Ausnahme als die Regel sind.

Energiekosten im Vergleich (USV Anlagen im Vergleich

Abbildung 2: Beispielrechnung zur Rentabilität einer Li-Ion-USV

Galaxy VX (ECOnversion-Modus) Galaxy VX (Doppelwandlerbetrieb)
Gesamt installierte USV-Leistung 1500 kW 1500 kW
Tatsächliche USV-Last 1200 kW 1200 kW
Auslastung 80 % 80 %
USV-Wirkungsgrad bei tatsächlicher Last 98,5 % 96 %
USV-Eingangsleistung bei tatsächlicher Last 1218 kW 1250 kW
Stromkosten 0,15 Euro / kWh 0,15 Euro / kWh
USV-Kosten für Verlustleistung pro Jahr (8760h/a) 24.012 Euro 65.700 Euro
Energiekosten der Klimaanlage für den USV-Raum (ca. 33% der Verlustkosten USV) 8.004 Euro 21.900 Euro
Gesamtenergiekosten für Betrieb der Anlage mit 1200 kW Last für ein Jahr 1.608.816 Euro 1.664.400 Euro
Kosten für Verluste von einem USV-System über eine Dauer von einem Jahr 32.016 Euro 87.600 Euro
Kostenersparnis bei Einsatz des ECOnversion-Modus über eine Dauer von einem Jahr 55.584 Euro

Fazit

Durch die Entwicklung, die der Eco-Modus in den vergangenen Jahren durchgemacht hat, ist er heute endlich das, was er schon damals bei seiner Einführung hätte sein sollen: eine ausgereifte, zuverlässige und effiziente USV-Technologie. Den durch die fortschreitende Digitalisierung ansteigenden Energiehunger kann allerdings auch der Eco-Modus alleine keinen Einhalt gebieten. Der Eco- beziehungsweise der ECOnversion-Modus ist nur ein Mosaikstein, aber dennoch ein wichtiger Schritt, um Energie und Kosten zu sparen. In Zeiten der staatlich forcierten Energiewende und unter dem Banner der Green-IT stärken Technologien wie der Eco-Modus die eigene Wettbewerbsfähigkeit und können sich darüber hinaus als wertvoller Imagefaktor erweisen. 

Dennoch ist es ratsam, den Eco-Modus nicht unüberlegt einzusetzen, sondern im Vorfeld erst eine Netzanalyse durchführen zu lassen. Bei stark schwankender Versorgungsqualität oder bei häufigen Kurzschlüssen ist die Anwendung des Eco-Modus eher kontraproduktiv. Ein permanenter Wechsel vom Bypass- in den Doppelwandlerbetrieb und umgekehrt kostet zusätzliche Energie und widerstrebt daher dem Ziel der Energieeinsparung. Stimmt hingegen die Qualität der Stromversorgung, spricht nichts mehr gegen den Einsatz der Technologie. Denn auch wenn der Eco-Modus lange in Vergessenheit geriet, ist er mittlerweile aus seinem Dornröschenschlaf erwacht.

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