USV-Anlagen Schwungrad-Energiespeicher können Akkus ersetzen

Anlagen für die unterbrechungsfreie Stromversorgung sind über viele Jahre hinweg im Dauerbetrieb. Verlustleistungen, so gering sie zunächst erscheinen mögen, summieren sich deshalb über die Zeit bei Kosten und CO²-Emission zu enormen Beträgen. Hier bieten USV-Anlagen, die ohne Akkus auskommen, deutliche Vorteile dank eines wesentlich höheren Wirkungsgrades und einer langen Lebensdauer.

IT-Systeme sind Stromfresser par excellence. Ihren Energiebedarf in Deutschland gibt das Borderstep Institut [1] für das Jahr 2008 mit einem Anteil von 1,8 % an der insgesamt in Deutschland genutzten elektrischen Energie an. Auch wenn der Anteil gering erscheinen mag: Er entspricht der Jahresproduktion von vier mittelgroßen Kohlekraftwerken. Den Löwenanteil davon benötigen Rechenzentren für den Betrieb der Server und Speicher und für die zum Betrieb notwendige Infrastruktur mit den Hauptfunktionen Klimatisierung und Stromversorgung.

Im Vergleich mit der Klimatisierung nimmt sich der Energiebedarf für die USV-Systeme bescheiden aus; einer Untersuchung der Intel Corp. aus dem Jahr 2008 zufolge beläuft er sich auf 6 % bis 7 % der gesamten Energieaufnahme in Rechenzentren. Andere Schätzungen kommen auf 8 % bis 15 %. Trotzdem lohnt sich ein genauerer Blick, um Einsparpotentiale zu entdecken.

Wandlungsprozesse: Wärme statt Wirkung

USV-Anlagen sichern die Versorgung mit elektrischer Energie bei Störungen in der Netzstromversorgung. Sie arbeiten im Wesentlichen ohne Unterbrechung: Die in Rechenzentren üblicherweise eingesetzten Doppelwandler (VFI-SS-111 nach nach IEC-62040-3 [2]) verwandeln permanent Wechselstrom aus dem Netz in Gleichstrom, mit dem die Akkus versorgt werden. Die Akkus übernehmen bei einem Ausfall des Primärnetzes die Energiezufuhr für die Last. Dafür muss der Gleichstrom für den Betrieb der angeschlossenen Lasten (Server, Speicher etc.) wieder zu Wechselstrom gewandelt werden.

Jede dieser zwei Wandlungen führt zu Verlustleistung, die als Wärme abgeführt werden muss. Für den Betrieb „im Leerlauf“ benötigen alle Typen von USV-Anlagen zusätzlich zur Wandler-Verlustleistung eine Grundleistung für sich selbst, zur Steuerung und Überwachung sowie für die Ladungserhaltung. Das Verhältnis von Ausgangs- zu Eingangsleistung unter festgelegten Betriebsbedingungen definiert den Wirkungsgrad. Je geringer der Wirkungsgrad einer USV-Anlage, desto mehr Wärme wird abgegeben. Die höhere Wärmeabgabe zieht einen zusätzlichen Bedarf an Kühlleistung in Form leistungsfähigerer Klimaanlagen und höherer Betriebskosten nach sich.

Da jeder Prozentpunkt Wirkungsgrad mehr über die Lebenszeit einer USV hinweg sowohl die Betriebskosten als auch die CO²-Belastung senkt, steht der Wirkungsgrad bei der Optimierung der weitestgehend ausgereiften USV-Technik im Mittelpunkt.

Moderne Doppelwandler-USV-Anlagen kommen heute ohne weiteres auf Wirkungsgrade von 95 % und darüber. Ein Teil der Wirkungsgradsteigerung konnte durch IGBTs (Isolated Gate Bipolar Transistor) und digitale Komponenten erreicht werden. Einen weiteren Teil trägt der so genannte Eco-Modus bei - Betrieb der Last an einer mit einem Bypass überbrückten USV. Allerdings muss in dieser Betriebsart auf Funktionen der Spannungsaufbereitung verzichtet werden.

Kinetik statt Chemie

Eine andere Möglichkeit, den Wirkungsgrad zu steigern, besteht darin, für die Energiespeicherung andere als das herkömmliche elektrochemische Verfahren zu nutzen. Active Power Inc. [3] nutzt z.B. für seine als „CleanSource“-Technik bezeichnete USV-Anlagen ein Schwungrad, um kinetische Energie in rotierenden Massen zu speichern (Bild 1). Im Normalbetrieb rotiert das Schwungrad mit gleichbleibender Drehzahl; die Last wird aus dem Versorgungsnetz gespeist. Wird dieser Stromfluss unterbrochen, wandelt die USV-Anlage die im Schwungrad gespeicherte Energie in elektrische Energie um und speist die Last.

Liegt wieder Spannung vom Versorgungsnetz an, schaltet die USV-Anlage sowohl die Last als auch das Schwungrad für die Wiederaufladung auf das Versorgungsnetz zurück. Das Schwungrad (Bild 2) erreicht seinen maximalen „Energieinhalt“ mit 7700 Umdrehungen pro Minute. Einsatzbereit ist die Schwungrad-USV bei 4000 Umdrehungen pro Minute. Je nach Entladungstiefe dauert die Ladezeit zwischen wenigen Sekunden und zwei Minuten. Das Hochlaufen aus dem Stillstand bei der Inbetriebnahme dauert weniger als fünf Minuten.

USV im Rechenzentrum:
nie optimal ausgelastet

Selbst der beste Wirkungsgrad kommt nur dann voll zum Tragen, wenn die Auslastung der USV-Anlage stimmt - im Dauerbetrieb mit einer Auslastung von ca. 70 % bis 90 %. Allerdings werden die wenigsten USV-Anlagen im Betrieb voll ausgelastet. Üblich ist der Teillastbetrieb, vor allem beim Einsatz in redundant ausgeführten Anlagen, wie er für Rechenzentren typisch ist: Wird die Last auf zwei USV-Anlagen aufgeteilt, steigt die Auslastung einer USV im Normalbetrieb

nicht über 50 %. Da USV-Anlagen aber selbst im Notfall, wenn zum Netzausfall auch die zweite USV-Anlage ausfällt, nicht mit 100-%-Auslastung arbeiten, liegt die prak-tische Auslastung in dieser Konfiguration bei 30 % bis 40 %. Bei N+1-Konfigurationen springt eine redundante USV-Anlage ein, um den Ausfall einer Anlage zu kompensieren. In Konfigurationen mit insgesamt drei Anlagen liegt die Auslastung dann zwischen 40 und 60 %.

Da der Basisbedarf einer USV-Anlage unabhängig von der angeschlossenen Last besteht, sinkt der Wirkungsgrad fast direkt proportional zur Last: Messungen im praktischen Einsatz, die das Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL [4]) an USV-Anlagen im Normalbetrieb vorgenommen hat, lieferten Wirkungsgradwerte von meist 80 % bis 90 % bei einer Belastung von 33 % und von 85 % bis 94 % bei einer Belastung von 50 % (Bild 3). Der Wirkungsgrad der Schwungrad-USV-Anlagen von Active-Power lag bei diesen Untersuchungen bei 98 % Prozent unter optimalen Lastbedingungen und sank selbst bei ungünstigen Lastverhältnissen von 33 % nicht unter 95 %.