Hoher Wirkungsgrad von USV-Systemen für bessere Energieeffizienz
Jeder Prozentpunkt zählt
Die Strompreise kennen nur eine Richtung - nach oben. Dies spüren auch die Betreiber von Rechenzentren. Laut Greenpeace sind Data Center für 1,5 bis zwei Prozent des weltweiten Stromverbrauchs verantwortlich. Ihr Energiebedarf wachse derzeit um rund zwölf Prozent pro Jahr, denn hier sorgen sehr große Verbraucher wie Klimatisierungslösung oder USV-Systeme für einen hohen Strombedarf. Kleine Veränderungen können bereits große positive Auswirkungen in puncto Energieeffizienz nach sich ziehen.Weil beispielsweise die USV-Anlagen in Rechenzentren im Dauerbetrieb laufen, spart ein optimierter Wirkungsgrad schnell fünfstellige Eurobeträge ein. Bei Auswahl und Betrieb von USV-Systemen sollte daher neben der Verfügbarkeit auch die Effizienz im Fokus stehen.
Dimensionierung verantwortlich für Effizienz
USV-Anlagen sind ständig im Einsatz, für die gesamte Last dimensioniert und haben so durch geringste Unterschiede beim Wirkungsgrad enorme Auswirkungen auf die Effizienz. Doch in vielen Rechenzentren sind monolithische USV-Anlagen im Einsatz, die durch eine zu groß ausgelegte Dimensionierung über ihre gesamte Lebensdauer enorme Mengen von Energie und Kosten verbrauchen. Hohe Betriebskosten basieren in den seltensten Fällen auf den Anschaffungskosten. Bei einer durchschnittlichen Betriebsdauer von 15 Jahren fallen vielmehr die Energiekosten ins Gewicht.
Als wichtige Größe zur Quantifizierung der möglichen Ineffizienz im Rechenzentrum hat sich die Power Usage Effectiveness (PUE) etabliert. Diese international anerkannte Größe der Organisation "The Green Grid" erlaubt einen einfachen Vergleich von Effizienzwerten und gibt einen Anhaltspunkt für das Verbesserungspotenzial im Rechenzentrum.
Bei der Berechnung des PUE-Werts wird der gesamte Energieverbrauch eines Rechenzentrums ins Verhältnis zur Leistungsaufnahme der Server gesetzt. Ein Wert von "1" würde auf keinerlei Verluste hinweisen, je höher der PUE, desto höher die Verluste. Allerdings ist der PUE-Wert nicht der Weisheit letzter Schluss, selbst bei einem PUE von "1" wäre es immer noch möglich, dass es Server mit niedrigerem Energieverbrauch gibt. Dennoch können die Verluste des Gesamtsystems mit dem Wert sehr gut dargestellt werden. In optimierten Rechenzentren lassen sich bereits PUE-Werte von 1,3 und niedriger erreichen, während ein herkömmliches Rechenzentrum meist nicht unter den Faktor 2,5 kommt.
Leistungsneutrale USV-Systeme gibt es nicht, doch mit Verbesserungen in den einzelnen Funktionsblöcken der Geräte reduziert sich der Eigenverbrauch der Systeme deutlich. Eine USV mit Doppelwandler, und nur solche kommen im Rechenzentrum zum Einsatz, wandelt die Versorgungsspannung durch die Leistungselektronik zweimal. Zunächst macht der Gleichrichter aus der Eingangswechselspannung eine Gleichspannung. Durch diese kann sowohl die Batterie im DC-Zwischenkreis geladen als auch im Normalbetrieb der Wechselrichtereingang mit der nötigen Energie versorgt werden. Der Wechselrichter wandelt die DC-Spannung in eine Wechselspannung am Ausgang, die unabhängig von Störungen und Schwankungen der Eingangsspannung ist.
Kleine Änderung, große Wirkung
Für eine gute Verträglichkeit mit der Versorgungsquelle sollte der so genannte Eingangs-Power-Faktor nahe 1 liegen. Dies lässt sich durch Power-Faktorkorrektur im USV-Eingang oder durch den Einsatz von so genannten IGBTs (Insulated-Gate-Bipolar-Transistor) im USV-Gleichrichter erreichen. Die Weiterentwicklung in der Leistungselektronik erlaubt es heute, den IGBT-Wechselrichter ohne Ausgangstransformator zu betreiben. Die Qualität der Ausgangsspannungskurven verschlechtert sich dabei nicht, aber die hohen Verluste im Wechselrichtertransformator fallen weg, was zu einem deutlich verbesserten Wirkungsgrad von mindestens 95 Prozent und mehr führt.
Eine USV-Kenngröße, die ebenfalls Einfluss auf den Wirkungsgrad hat, ist der Spannungsbereich, in dem der Gleichrichter den Wechselrichter mit Energie versorgen kann, ohne auf Batteriebetrieb umschalten zu müssen. Ist dieser großzügiger ausgelegt, dann ist vielleicht der USV-Wirkungsgrad im Normalbetrieb niedriger. Aber da die Batterie seltener entladen und geladen werden muss, könnte die Gesamtenergiebilanz auf Dauer günstiger sein. Der Gleichrichter ist meist auch bei der Ladung der Batterie beansprucht. Er sollte deshalb optimal an die angeschlossene Zahl und Kapazität der Akkus angepasst sein, um Verluste durch Über- oder Unterdimensionierung zu vermeiden.
Ein weiterer Trend zeigt sich bei der Art des Systemaufbaus. Herkömmliche USV-Anlagen waren monolithisch konstruiert, das heißt als Einzelblock. Eine Anlage versorgte das komplette Rechenzentrum mit Strom. Um für die notwendige Redundanz zu sorgen, musste der Betreiber im Prinzip zwei identische Anlagen aufstellen. Beide laufen, auch wenn im Normalfall nur eine tatsächlich benötigt wird. Dies hat Auswirkungen auf den Wirkungsgrad, der in der Regel nur nahe der Volllast optimal ist. Weil beide monolithischen USV-Systeme in einem Bereich um die 50 Prozent Auslastung arbeiten, liegt der Wirkungsgrad am unteren Limit.
Zusätzlich schlägt der Stromverbrauch der Reserve-USV voll auf die Energiebilanz. Noch negativer wirkt sich die zusätzlich aufzuwendende Kühlleistung aus. Jedes Kilowatt Verlustwärme muss abgeführt werden, ein niedriger Wirkungsgrad belegt indirekt proportional hohe Kühlkapazität, die nicht mehr für die Server zur Verfügung steht.
Modulare Technik für mehr Flexibilität
Dieses Problem kann man durch den Einsatz von modular aufgebauten USV-Anlagen umgehen. So erlauben beispielsweise die Power-Modular-Concept-(PMC)-USV-Systeme von Rittal einen stufenweisen Ausbau. Die Gesamtlast - auch bei sehr großen Verbrauchern - ist in diesem Fall nicht durch zwei identische Anlagen abgedeckt. Vielmehr sind modulare USV-Chassis so mit Leistungsmodulen bestückt, dass im Fehlerfall eines Moduls die verbleibenden Einheiten nach wie vor die Gesamtlast tragen können. In die Systemschränke passen bis zu fünf Leistungsmodule in einer n+1-Konfiguration. Da die Module untereinander Load-Sharing betreiben, ist jedes Modul zu jeder Zeit abgesichert, und die USV läuft bei optimaler Auslastung mit einem sehr hohen Wirkungsgrad.
Die Modularität erleichtert auch die Skalierung. Im Gegensatz zu herkömmlichen Anlagen kann der Anwender mit der aktuell geforderten Menge an Modulen starten und bei Bedarf aufstocken. Der Betrieb einer vom Start weg für den Vollausbau des Rechenzentrums ausgelegten USV gehört damit der Vergangenheit an.
Ein weiterer Vorteil des flexiblen Konzepts zeigt sich bei der Wartung. Fällt ein Modul aus, wird es durch eine Ersatzeinheit ausgetauscht. Die kann der Kunde sogar selbst erledigen, wenn er ein Modul auf Lager hat. So lässt sich die Zeit bis zur Wiederherstellung der Redundanz minimieren. Da der Service-Techniker die Anlage im laufenden Betrieb warten kann, ohne auf ein ungeschütztes Netz (Bypass) umschalten zu müssen, sind auch zu jeder Zeit die Kriterien der Tier-III-und Tier-IV-Spezifikation des amerikanischen Uptime-Institutes erfüllt.
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