Mit Gleichstromnetz im RZ Strom sparen

Rechenzentren verbrauchen jedes Jahr grosse Mengen an Energie – rund hundertmal mehr als ein durchschnittliches Bürogebäude. Insgesamt sind dies 80 Millionen Megawattstunden an Strom pro Jahr, was etwa zwei Prozent der weltweiten CO2-Emissionen entspricht. Und der Bedarf steigt: Jährlich kommen in den Rechenzentren mehr als 5,75 Millionen neue Server hinzu, d. h., die weltweiten CO2-Emissionen werden sich bis zum Jahr 2020 vervierfachen. Im Durchschnitt benötigt ein Rechenzentrum so viel Strom wie 25 000 Privathaushalte in der westlichen Hemisphäre. Zusammengenommen werden ihre CO2-Emissionen in Kürze Werte wie die von Argentinien oder den Niederlanden erreichen.

Durch Verbesserungen bei der Ausrüstung von Rechenzentren sowie der Planung und Verwaltung von Standorten lassen sich erhebliche Einsparungen beim Stromverbrauch realisieren.

Computersysteme und zugehörige Komponenten, wie Telekommunikations- und Speichersysteme, arbeiten mit Gleichstrom (DC), während die Energie, die Rechenzentren aus dem Netz beziehen, in der Regel Wechselstrom (AC) ist. Deshalb muss jedes Gerät mit einem eigenen Netzgerät ans Wechselstromnetz angeschlossen werden. Dadurch entstehen kumulierte Umwandlungsverluste und Abwärme, die wieder heruntergekühlt werden muss. Da ist es eigentlich naheliegend, dass ein Rechenzentrum, wo eine Vielzahl von Servern im Einsatz stehen, direkt über ein eigenes Gleichstromnetz versorgt wird.

Denn im Vergleich zur herkömmlichen Wechselstromtechnik ist die Gleichstromtechnik in Bezug auf die elektrische Energieverteilung wesentlich energiesparender. Mit Gleichstromtechnik kann die Energieeffizienz in Rechenzentren im Vergleich zu Wechselstromsystemen durch Reduzierung von Energieumwandlungsverlusten um mindestens 10 Prozent verbessert werden. Zudem wird weniger Kühlleistung im IT-Raum erforderlich, was den Energiebedarf zusätzlich verringert.

Auch die Kosten für die energietechnische Ausrüstung, Installation, Betrieb und Wartung reduzieren sich. Zudem sind Gleichstromsysteme weniger komplex und benötigen weniger Platz und Ausstattung, wodurch sich weitere erhebliche Einsparungen bei Immobilien- und anderen Investitionen ergeben. Dadurch reduzieren sich die Gesamtkosten einer Anlage um bis zu 30 Prozent.

Lesen Sie auf der nächsten Seite: Pilotanlage in der Schweiz

Im aargauischen Lupfig hat ABB zusammen mit der Betreiberin Green das weltweit erste Rechenzentrum durchgängig mit einem Gleichstrom-Energieverteilungssystem ausgerüstet. In einem Vorzeigeprojekt wurden rund 1100 Quadratmeter des neuen Rechenzentrums von Green mit einer innovativen, vollständig redundant ausgelegten Gleichstromversorgung von rund 1 Megawatt Leistung ausgestattet. Die wegweisende Lösung   wurde von der lokalen Business Unit Niederspannungssysteme von ABB Schweiz umgesetzt, geliefert und installiert in Zusammenarbeit mit Validus DC Systems, einem führenden Anbieter von Ausrüstung für Gleichstrom-Energieinfrastruktur von Rechenzentren der ABB-Gruppe. Die Lösung entspricht den Spezifikationen der IEC (International Electrotechnical Commission), die für die meisten Länder der Welt gelten.

Statt dass die Server wie bis anhin in einer Wechselstrom-Lösung über Mittelspannungstransformatoren, AC-Schaltanlagen, batteriegestützter, unterbrechungsfreier Stromversorgung (UPS) AC-PDUs und AC-Netzgeräte mit elektrischer Energie versorgt werden, sieht die Gleichstromversorgung folgende, vereinfachte Architektur vor:

Die Einspeisung des lokalen Energieversorgungsunternehmens erfolgt auf der 16 kV-Ebene auf eine gasisolierte Mittelspannungs-Schaltanlage des Typs ABB ZX0. Während eines Netzausfalls speist ein Notstromaggregat ebenfalls auf diese Schaltanlage, nachdem eine automatische Umschaltung durch das Leitsystem stattgefunden hat.

Die Gleichrichtereinheit – bestehend aus einem Mittelspannungs-Lastschalter, einem hocheffizienten Transformator und dem eigentlichen Gleichrichter – formt unmittelbar danach die 16 kV-Wechselspannung in 400 V-Gleichspannung um, um diese Spannung schliesslich ohne weitere Umwandlung zu den Servern zu führen (vereinfachte DC-Netzteile versorgen die Server mit der notwendigen Energie). Im Gleichrichter kommt hocheffiziente, industrieerprobte Leistungselektronik mit Halbleitern zum Einsatz, wie sie im ABB-Werk in Lenzburg gefertigt werden. Um die Zeit zwischen einem Netzausfall und der Versorgung durch das Notstromaggregat überbrücken zu können, werden Batterien mit einer Autonomiezeit von 10 Minuten eingesetzt. Diese sind ebenfalls ohne weitere Umwandlung und lediglich über Dioden an die Gleichrichtereinheit angeschlossen.