Rotierende Schwungmassen als Notstromversorgung im Rechenzentrum machen ab einer gewissen Größe Sinn. Im Vergleich zu Batterien ergibt sich eine höhere Energieeffizienz bei geringerem Platzbedarf.
DeRUPS ist die Abkürzung für Diesel Rotary Uninterruptible Power Source, einer 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 Energie. In einem Schwungmassenspeicher wird kinetische Energie in einer rotierenden Schwungmasse gespeichert. Die Schwungmasse wird von einer elektrischen Maschine angetrieben, die über eine Wechselrichtersteuerung mit variabler Frequenz gesteuert wird. In dem Prozess wandelt sich elektrische Energie in kinetische Rotationsenergie um. Diese Energieform wird in der Schwungmasse gespeichert und bei Bedarf in elektrische Energie zurückgewandelt.
Kritische Verbraucher wie Server reagieren bei Netzausfällen größer 10 ms. In diesem Fall kann es zu Datenverlusten oder gar zu einem Totalausfall der IT kommen. Um dies zu vermeiden, ist eine unterbrechungsfreie Stromversorgung essenziell. Kinetische Energiespeicher sind eine Alternative zu Batterie-Systemen.
DeRUPS USV-Lösung mit mehreren Funktionen. Das DeRUPS-System liefert auch Energie zum Ausgleich von Kurzzeitunterbrechungen, die typischen »Flicker« und für andere Überbrückungen, nicht vorwiegend bei einem Ausfall der Netzversorgung in Rechenzentren als Ausnahmezustand. Die Energie in den Schwungmassen wird bei Bedarf freigesetzt und liefert die Versorgung für die Verbrauchsquellen. GenSets werden bei Verlust der Netzseite oder längerfristigen Unregelmäßigkeiten, die länger als 1 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 GenSets zu betreiben. Über diese Lösung lässt sich eine stabile Versorgung für den Rechenzentrumsbetrieb aufrechterhalten, solange bis die originäre Stromversorgung des externen Energieversorgers wieder zur Verfügung steht oder temporäre Netzfrequenzschwankungen ausgeglichen sind.
Überbrückungsstromversorgung in Rechenzentren. Die in Deutschland weitgehend stabile Stromversorgung birgt Risiken durch die Einspeisung erzeugter alternativer Energievarianten! Die von der Regierung forcierte Energiewende hat großen Einfluss auf das Funktionieren der Stromnetze und die Verteilung der Energie in den selben. Durch die diversifizierte Energieerzeugung mischen sich verschiedene Energiearten und Erzeugerquellen, das heißt in der Gewinnungsform und auf die geografischen Standorte bezogen. Im Zuge eines regelnden und ausgleichenden Energiemanagements werden Kraftwerke bei erzeugten Überkapazitäten temporär runtergefahren. 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 hierdurch zu. Diese können sowohl bei einer Zuschaltung, als auch Abschaltung oder Umschaltung von und zwischen Kraftwerken auftreten. Kurzschlüsse oder Defekte und damit verbundene Schalthandlungen können ebenso zu Wischern führen. Schon heute müssen die Energieversorger deutlich öfter bei der Stromversorgung regulierend eingreifen, als das noch vor ein paar Jahren nötig war.
Als Rechenzentrumsbetreiber hat man die Aufgabe, die Spannung der Stromversorgung immer stabil zu halten. Die Notwendigkeit für eine redundante USV-Versorgung gilt genauso für Rechenzentren von Unternehmen im Eigenbetrieb. Bei Telehouse wird diese neue Lösung auf DeRUPS-Basis mit dem Redundanzgrad n+2 in dem neuen Technikgebäude implementiert.
IP-Bus-System für optimale Lastverteilung bei DeRUPS. Zur Sicherstellung der Redundanz (n+1, n+2 oder n+n) sind die Maschinen in einem speziellen Bus-System, dem IP-Bus (Isolated Parallel Bus), eingebunden. Die Lastverteilung erfolgt automatisch, ohne aktive Schalteingriffe einer Person. Die an die Anlage angeschlossenen Kunden, das heißt ihre Server und IT-Infrastruktur, 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 zu einer Fehlertoleranz der USV-Anlage. 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. Bei einem Kurzschluss 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 5 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.
Technische und wirtschaftliche Vorteile. Diese USV-Variante macht in einem Rechenzentrum ab 1,5 Megawatt Stromverbrauch Sinn. Im Vergleich zu Batterien ergibt sich eine höhere Energieeffizienz bei geringerem Platzbedarf und durch höhere Energiedichte. Des Weiteren gibt es Vorteile beim Lifecycle-Management, denn Batterien werden nach sieben Jahren ausgetauscht, die Flying-Wheels als typische Verschleißteile hingegen erst nach zehn Jahren. Elektrotechnisch betrachtet sind DeRUPS stabiler im Vergleich zum Batteriesystem. Batterien lassen über die Lebensdauer in der Leistung nach. Bei einer 100-prozentigen Funktionsfähigkeit ist der Einsatz von DeRUPS als Schwungmassenspeicher wirtschaftlich betrachtet im Vergleich zu Batterien als konventionelle Akkumulatoren trotz höherer Anschaffungskosten auf Sicht günstiger.
Armin Höfner,
Technischer Leiter
bei der Telehouse
Deutschland GmbH