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Hohe Effizienz

Stromversorgungen als Schlüssel zur Energieoptimierung

4. Dezember 2012, 10:13 Uhr | Engelbert Hopf und Heinz Arnold

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Rechenzentren profitieren doppelt

Ein Beispiel dafür, wie sich die Investitionen in einen besseren Wirkungsgrad gleich doppelt auszahlen, liefern die Rechen- und Serverzentren nebst der dort installierten Massenspeicher: Dort erzeugt die verbrauchte elektrische Energie Wärme. Das tut elektrische Energie bei ihrem Verbrauch selbstverständlich in jeder Anwendung. Aber weil in den Datenzentren die Verbraucher in konzentrierter Form auftreten, wird dort auch besonders viel elektrische Energie in Abfallwärme umgesetzt und damit schlicht »verbraten«.

Aus diesem Grund muss eben diese Wärme, eine Folge ineffizienter Energienutzung, wieder weggekühlt werden - was zusätzlich Energie verschlingt und Kosten verursacht. Laut dem IT-Beratungsunternehmen Gartner verteuert alleine die Klimatisierung den Energieverbrauch von Rechenzentren um bis zu 45 Prozent. In abgemilderter Form lässt sich dieser Effekt in nahezu jedem Industrieschaltschrank beobachten. Sinnvoller wäre es, die Abfallwärme gar nicht entstehen zu lassen - das würde in der Folge nicht nur den Energiebedarf für die Klimatisierung reduzieren, sondern auch den apparativen Aufwand dafür. Der Verbraucher würde auf diese Weise doppelt sparen.

Zwar haben die Fortschritte der vergangenen Jahre in der Halbleitertechnik bei den Servern und Netzknoten als energetischen Endverbrauchern für eine deutlich bessere Energieverwertung gesorgt. Doch die immer noch steigende Nutzung von Internet und mobilen Diensten sorgt weiter für eine stetige Zunahme des Gesamtenergiebedarfes durch die IT. Gegensteuern lässt sich außer durch den Einsatz energieeffizienter Server auch auf der Ebene der Netzteile. Zeitgemäße Stromversorgungseinheiten bieten einen Wirkungsgrad um die 90 Prozent. Als Beispiel sei hier das modular aufgebaute System RCP-2000 angeführt, das in Deutschland von Emtron electronic vertrieben wird. Je nach gewünschter Ausführung liegt hier der Wirkungsgrad zwischen 86 und 92 Prozent.

Ein hoher Wirkungsgrad in der Stromversorgung wird im Wesentlichen durch zwei Faktoren erzielt: Durch eine entsprechend ausgelegte und optimierte Schaltungstechnik und durch die Verwendung modernster Leistungshalbleiter. Das gilt natürlich nicht nur für Netzteile für Server-Racks, sondern grundsätzlich für alle Stromversorgungen.

Hinsichtlich der Schaltungstechnik erzielt der Einsatz von Hochsetzstellern mit aktiver Leistungsfaktor-Korrektur die wohl besten Resultate. Auch Vorwärtsregler, die intern nach dem Prinzip der Pulsweitenmodulation arbeiten, eignen sich für effizienzoptimierte Stromversorgungen - beide verringern zudem die Welligkeit der Ausgangsspannung und erlauben es, die Leistungsdichte höher zu schrauben, ohne dass die Gefahr einer Überhitzung droht.

Einen wesentlichen Beitrag zur Verbesserung der Energiebilanz leistet auch die Bestückung der Stromversorgung mit MOSFET-Synchrongleichrichtern statt der weit verbreiteten Dioden-Brückenschaltungen. Sämtliche Bauelemente sind heute typischerweise in integrierten Schaltkreisen zusammengefasst, dann ist der Nachteil des erhöhten schaltungstechnischen Aufwands heute nicht mehr relevant.

In den Leistungsstufen halten moderne Bauelemente wie IGBTs, MOSFETs und JFETs heute die Schaltverluste so gering wie möglich. Am Horizont aber tauchen bereits neue Technologien für Leistungstransistoren auf. Die Rede ist von Silizium-Carbid (SiC) und Gallium-Nitrid (GaN). Diese so genannten Wide-Bandgap-Halbleiter sollen noch einmal deutliche Verbesserungen bei der Schaltgeschwindigkeit und damit bei der Flankensteilheit sowie beim Durchlasswiderstand ermöglichen - beides wichtige Parameter für die Energieeffizienz. Die Einführung von Leistungshalbleitern auf Basis dieser Materialien in den Volumenmarkt hat in Spezialgebieten bereits begonnen und dürfte in wenigen Jahren den breiten Markt erfassen.