USV-Wirkungsgrad und Verfügbarkeit
Effizienz geht über Normalbetrieb hinaus
Die Qualität eines USV-Systems macht sich bereits dann bemerkbar, wenn der IT-Betrieb reibungslos abläuft. Im Störfall trennt sich jedoch die Spreu vom Weizen - dies gilt auch für die Effizienz nach dem Tier-Konzept.
Um heute und morgen den sicheren Betrieb von IT-Equipment in Rechnerräumen und Rechenzentren zu gewährleisten, wird die zugehörige Infrastruktur immer wichtiger. Parallel mit der Beachtung von Infrastrukturkomponenten wie Kühlaggregaten und unterbrechungsfreien Stromversorgungen rücken die damit verbundenen Kosten in den Fokus von Betreibern.
Da sich über den Wirkungsgrad ein Einspareffekt bei Betriebskosten erzielen lässt, gerät der eigentliche USV-Einsatzzweck oft in den Hintergrund. Doch angesichts möglicher Kosten, die mit dem Ausfall einer IT-Anlage verbunden sein könnten, muss die Verfügbarkeit eines USV-Systems in die Kostenbetrachtung eingebunden sein. Im Folgenden werden für verschiedene USV-Systeme die Aspekte des Wirkungsgrads und der Verfügbarkeit vorgestellt und durch die zugehörige Kostenwirksamkeit vergleichbar gemacht.
Redundanz und Verfügbarkeit bei der IT-Infrastruktur
Durch die Komplexität der IT-Anwendungen in Serverräumen, SAN-, NAS- oder Netzwerkschränken kann ein unkontrollierter Absturz der IT-Einrichtung weit reichende Folgen haben. Übersichtliche Verkabelung, ausreichende Kühlung und sichere Stromversorgung sind wichtige Faktoren bei der Infrastruktur, um solche Vorfälle zu vermeiden.
Kühlung und Verluste in der Infrastruktur verbrauchen dabei einen mit der Systemkomplexität steigenden Anteil der elektrischen Energie. Zu beachten ist, dass bei zunehmender Leistungsdichte auch die Empfindlichkeit gegenüber Infrastrukturausfällen zunimmt, sodass eine erhöhte Absicherung durch USV-Geräte nötig ist.
In den vergangenen Jahren gewann auch in Deutschland die Klassifizierung eines Infrastrukturaufbaus nach dem Uptime-Institut an Bedeutung. Der große Vorteil der so genannten "Tier"-Klassifizierung ist eine anschauliche Beschreibung konkreter Maßnahmenpakete zur Realisierung eines bestimmten Verfügbarkeitswertes (Bild 2).
Wesentlich für die Übergänge zwischen den einzelnen "Tier"-Klassen sind:
Tier I nach Tier II: Redundanz bei den Komponenten (N -> N+1),
Tier II nach Tier III: Zusätzlicher Versorgungspfad, der einen Betrieb auch während der Servicezeiten ermöglicht, und
Tier III nach Tier IV: Redundanz der Systeme, wobei nach der neuesten Definition des Uptime-Instituts aus Effizienzgründen keine zusätzliche Redundanz der Komponenten nötig ist, sondern nach einem beliebigen Fehler die Kapazität N für die gesamte IT-Versorgung ausreichen muss.
Sichere Stromversorgung und USV-Systeme
Die mit der Verfügbarkeit verbundenen Ausfallzeiten bedeuten längst nicht, dass jedes Jahr ein Ausfall der Gesamtanlage für Sekunden oder für Minuten erfolgt. Bei der öffentlichen Stromversorgung kommt es nur lokal begrenzt und höchst selten zu längeren Ausfällen. Die sichere Stromversorgung von Betreibern größerer IT- und TK-Einrichtungen über eigene Notstromversorgungen hilft außerdem. Allerdings können gerade die häufigeren, kurzzeitigen Störungen, kleiner weniger Sekunden, während der Anlaufphase von Dieselgeneratoren zum Beispiel nicht abgefangen werden. Doch für den unkontrollierten Absturz des gesamten IT-Systems würde selbst ein kurzer Ausfall reichen. Durch den undefinierten Systemzustand bedarf es eines zeitintensiven System-Recoverys, das entsprechend große Ausfallzeiten hervorruft.
Die unterbrechungsfreien Stromversorgungssysteme mit Doppelwandlerprinzip sind fortwährend im Betrieb, um die angeschlossenen Verbraucher vor Störungen und kurzzeitigen Ausfällen bei der Stromversorgung zu schützen. Dabei steht zwischen den beiden Umrichtern (AC/DC und wieder zurück DC/AC) ein Energiespeicher zur Verfügung, über den der Ausgangswechselrichter gespeist wird, wenn bei der Eingangsversorgung Probleme entstehen. Beim Einsatz einer passend ausgelegten Batterieanlage als Speicher kann selbst dann, wenn neben der Netzversorgung auch der Dieselgenerator ausfällt, über die Anbindung der USV an das Rechnernetzwerk ein gesteuerter Shutdown erfolgen. Speichervorgänge werden abgeschlossen und Rechneranwendungen geordnet beendet, sodass ein Wiederanfahren des Systems ohne Probleme möglich ist.
USV-Wirkungsgrad und Redundanz
Der Einfluss von USV-Systemen auf die Verfügbarkeit von IT-Anlagen ist unbestritten. Aber der Eigenstromverbrauch rund um die Uhr, obwohl nur wenige Sekunden oder Minuten im Jahr "aktiv", noch dazu meist unerkannter Weise, ist ein Kostenfaktor, den man gern reduzieren würde. Technische Fortschritte haben dazu geführt, dass moderne Doppelwandler-USV-Geräte einen Wirkungsgrad von weit über 90 Prozent erreichen. Zu beachten ist dabei die Auslastung der USV und die angeschlossene Last. Immer häufiger beobachtet man, dass für die Praxis irrelevante Werte (Doppelwandler-USV über Bypass betrieben) angegeben werden. Sogar Formulierungen wie "bis zu x Prozent" Wirkungsgrad setzen die Prospekte dem Anwender vor. Nirgendwo ist beschrieben, wie die Relation einer realen USV zu diesem fiktiven Wert aussieht. Eine solche Aussage stimmt in jedem Fall, auch bei real nur 80 Prozent Wirkungsgrad.
Die Tabelle rechts macht auch deutlich, dass Redundanzkonzepte bei USV-Systemen zu Wirkungsgradeinbußen führen. Eine einzelne USV ist optimal zu etwa 80 Prozent ausgelastet. Kommt eine redundante USV (1+1-System) hinzu, reduziert sich die Auslastung für die beiden Geräte auf 40 Prozent. Entsprechend niedriger ist der Wirkungsgrad, und die Energieverluste des USV-Systems steigen. Mit einer feineren USV-Unterteilung (Lastaufteilung führt zu einer größeren Anzahl kleinerer USV-Geräte) lässt sich die Auslastung erhöhen. Die verfügbare Reserveleistung kann sinken.
Das Konzept der "modularen USV-Systeme" soll diesen Vorteil der Parallelsysteme mit der einfachen Erweiterbarkeit verbinden. Mit steigender Anforderung kann der Betreiber einzelne Leistungsmodule und Batteriemodule zukaufen und in einen Systemschrank einbauen. Dadurch ist eine optimale Auslastung der Leistungsmodule zu erreichen, und die Verluste lassen sich reduzieren. Beim "modularen System" investiert der Anwender vorab in einen Systemaufbau, den er mit steigender Effizienz beim IT-Equipment womöglich gar nicht nutzen will, und begibt sich zudem in die Abhängigkeit vom Lieferanten.
Ein wichtiger Punkt bei den Redundanzbetrachtungen ist die mit der Teilezahl zunehmende Fehleranfälligkeit. Bei Verfügbarkeitsbetrachtungen sind stets Angaben zu der entsprechenden Anzahl der einzelnen Komponenten nötig. Eine theoretische Kalkulation für USV-Konfigurationen ergibt die Werte in Tabelle 2.
Zu Recht verweisen die Experten darauf, dass bei den in der Tabelle 1 kalkulierten USV-Systembeispielem das IT-Prinzip der "fünf Neunen" ("Five Nines", bei dem die Verfügbarkeit 99,999 Prozent beträgt) stets übertroffen wird. Bei der Verfügbarkeit des Gesamtsystems und der Kostenbetrachtung für Ausfälle aber spielen die relativen Unterschiede die wesentliche Rolle.
USV-Betriebskostenbetrachtung über Auslastung und Verfügbarkeit
Unabhängig von der Betrachtung "modulares USV-System" oder "konventionelles Parallelsystem" gilt es, neben den Betriebskosten bei Normalbetrieb auch die konkreten Kosten für Nichtverfügbarkeit des USV-Systems ins Kalkül zu ziehen. Zur Veranschaulichung sollen hier Beispielangaben für eine fiktive, redundante Versorgung von 200 kVA Last über zwei USV-Systeme dienen.
Bei einem 1+1-System sind zwei USV-Geräte mit 200 kVA Leistung parallel geschaltet, während beim 5+1-System sechs USV-Geräte mit je 40 kVA Leistung parallel laufen. Aus Bild 2 wählt man den Wirkungsgrad für nicht-lineare Lasten bei 50 Prozent Auslastung und bei 80 Prozent Auslastung. Der Unterschied dürfte etwa ein Prozent betragen. Die 1+1-Lösung verbraucht im Jahr demnach 14.000 kWh Strom mehr, was Mehrkosten von etwa 2100 Euro bedeutet, bei Stromkosten von zwölf Cent pro kWh.
Da allerdings der MTBF-Wert für die 5+1-Lösung um einen Faktor 3 schlechter ist als für die 1+1-Lösung, muss bei der Nichtverfügbarkeit dieser Lösung von einem dreimal schlechteren Wert ausgegangen werden. Selbst bei der niedrigsten Ausfalldauer von 0,8 Stunden pro Jahr für eine Tier-IV-Konfiguration wären somit 0,8 Stunden für 1+1 und 2,4 Stunden für 5+1 kostenmäßig zu vergleichen. Dazu kann jeder Leser die Angaben der Tabelle 2 heranziehen.
Bei 200 kVA Last sind tatsächlich mehrere Systeme abgesichert - und nicht nur eines. Die Differenz von 1,6 Stunden pro Jahr entspricht im einfachen Fall eines Hotelbuchungssystems einem Kostennachteil für die modulare Lösung von etwa 40.000 Euro und wiegt die Unkosten beim Strom beinahe 20-fach auf. Leider lässt sich dies nicht auf der Stromrechnung finden.
Durch USV-Systeme verursachte Verluste lassen sich nicht mit Rechenoperationen begleichen, wohl aber mit der Vermeidung von Rechnerausfällen. Wie bei einer Versicherungspolice zahlt der Nutzer eine Art Prämie - nur, dass mit der USV der Schadensfall verhindert wird und die Kosten nicht entstehen.
Fazit: Kosten sprechen für optimales System
Meist sind die bei einem Schaden entstehenden Kosten so hoch, dass die Aufwendungen für ein optimales System gerechtfertigt sein können. Im IT-Bereich sollten IT-Leiter und Verantwortliche für die Infrastruktur zusammenarbeiten. Vereinfacht gilt nämlich: Der Infrastrukturverantwortliche sieht die Stromkosten, der IT-Verantwortliche hat den Ärger mit Ausfallzeiten.
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