Grüne USV-Anlagen mit Schwungrädern statt Akkus

Autor / Redakteur: Uwe Schrader-Hausmann * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

USV-Anlagen mit Akkus als Energiespeicher sind uneffektiv und teuer im Unterhalt. USVs mit Schwungradspeicher bieten dagegen enorme Einsparpotenziale bei Wartung, Batterieersatz und Stromkosten.

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Im Standard-ISO-Container: Das Stromversorgungssystem PowerHouse mit Schwungrad-USV kommt betriebsbereit frei Haus
Im Standard-ISO-Container: Das Stromversorgungssystem PowerHouse mit Schwungrad-USV kommt betriebsbereit frei Haus

IT-Systeme sind Stromfresser par excellence. Ihren Stromverbrauch in Deutschland gibt das Borderstep Institut für das Jahr 2008 mit 1,8% des gesamten inländischen Stromverbrauches an. Auch wenn der Wert gering erscheinen mag: Er entspricht der Jahresproduktion von vier mittelgroßen Kohlekraftwerken. Den Löwenanteil davon verbrauchen Rechenzentren, für den Betrieb der IT-Last als solcher und der für ihren Betrieb notwendigen Infrastruktur mit den Hauptfunktionen Klimatisierung und Stromversorgung. Selbst geringe Einsparungen beim Stromverbrauch haben deshalb spürbare Auswirkungen nicht nur auf die Betriebskosten, sondern auch auf die Entwicklung der CO2-Emission. Neben der Hardware und insbesondere der Klimatisierung bieten auch die USV-Systeme einiges an Einsparpotenzial.

Wandlungsprozesse erzeugen Wärme statt Wirkung

USV-Anlagen sichern die Versorgung kritischer Lasten bei Stromstörungen. Sie arbeiten im wesentlich ohne Unterbrechung: Die in Rechenzentren üblicherweise eingesetzten Doppelwandler (VFI-SS-III) verwandeln permanent Wechselstrom aus dem Netz in Gleichstrom, mit dem die Batterie versorgt wird, die dann die Energiezufuhr für die Last bei Ausfall des Primärnetzes aufrechterhält. Dafür muss der Gleichstrom für den Betrieb der angeschlossenen AC-Lasten wieder zu Wechselstrom konvertiert werden. Dieser zweifache Umwandlungsprozess führt zu Verlusten, die als Wärme abgeführt werden. Je geringer der Wirkungsgrad, definiert als das Verhältnis von Ausgangs- zu Eingangsleistung unter festgelegten Betriebsbedingungen, desto mehr Strom wird nicht zweckdienlich eigesetzt, sondern in Wärme umgewandelt, die wiederum zusätzlichen Bedarf an Klimatisierung in Form leistungsfähigerer Systeme und höherer Betriebskosten nach sich zieht.

USVs im Rechenzentrum sind nie optimal ausgelastet

Da jeder Prozentpunkt Wirkungsgrad mehr über die bis zu 20 Lebensjahre einer USV nicht nur die Betriebskosten deutlich verringert, sondern auch die CO2-Belastung senkt, setzen innovative USV-Konzepte am Wirkungsgrad an. Moderne Anlagen erzielen mit optimierten Stromrichterventilen und digitalen Komponenten in IGBT-Technik (Isolated Gate Bipolar Transistor) meist einen guten Wirkungsgrad. Allerdings kommt auch der beste Wirkungsgrad nur dann voll zum Tragen, wenn die Auslastung der USV-Anlage stimmt – im Dauerbetrieb bei ca. 70% bis 90%. Nur werden die wenigsten USV-Systeme unter Ausschöpfung ihrer Möglichkeiten betrieben. Üblich ist Teillastbetrieb, vor allem beim Einsatz in redundanten Architekturen, wie er für Rechenzentren typisch ist: Dort steigt die Auslastung einer USV nie über 50%. In der Konsequenz ist davon auszugehen, dass der Wirkungsgrad erheblich niedrigerer liegt. Untersuchungen von Lawrence Berkeley National Laboratory zeigen Werte von meist unter 90% bei einer Belastung von 33% und von 85% bis 94% bei einer Belastung von 50%.

Maßgeblich für die Verlustleistung sind die im Zusammenhang mit der Batterie notwendigen Wandlungsprozesse. Es liegt also nahe, für die Energiespeicherung andere als die herkömmlichen elektrochemischen Verfahren zu nutzen, die neben den umwandlungsbedingten Verlusten eine ganze Reihe weiterer Nachteile aufweisen. So wird unabhängig von den jeweils verwendeten Inhaltsstoffen bei jedem Lade- und Entladevorgang Material verbraucht, was die Lebensdauer der Batterien ebenso begrenzt ist wie ihre Kapazität. Nicht zuletzt beanspruchen die chemischen Prozesse Zeit; die Ladezeit einer Batterie kann mehrere Stunden betragen, in denen die Last bei einem Ausfall der Netzversorgung nicht ausreichend versorgt werden kann. Active Power hat deshalb einen anderen Weg für die Energiespeicherung eingeschlagen und die CleanSource-Technologie entwickelt.

Schwungräder liefern Strom aus Bewegung

Dabei speichert ein Schwungrad (Flywheel) kinetische Energie in rotierenden Massen. Im Normalbetrieb dreht sich das Schwungrad mit gleichbleibender Geschwindigkeit; die Last wird aus dem Versorgungsnetz gespeist. Wird dieser Stromfluss unterbrochen, wandelt das System die im Schwungrad gespeicherte Energie in elektrische Energie um. Liegt wieder Spannung vom Versorgungsnetz an, schaltet das System sowohl die Last als auch das Schwungrad für die Wiederaufladung auf das Versorgungsnetz zurück. Die volle Ladungskapazität hat das Schwungrad mit 7700 Umdrehungen pro Minute erreicht, einsatzbereit ist die USV bei 4000 Umdrehungen pro Minute. Je nach Entladungstiefe dauert die Ladezeit zwischen wenigen Sekunden und zwei Minuten und bleibt selbst bei der Inbetriebnahme der Anlage unter fünf Minuten.

Hochverfügbares und effizientes Schwungrad

Das Schwungrad-Verfahren ermöglicht die sehr kurzfristige Bereitstellung hoher Energiemengen und eignet sich für die zuverlässige Absicherung großer Lasten bei Kurzzeitausfällen. Da ein Versorgungssystem, das eine Verfügbarkeit von 99,999% für kritische Verbraucher sicherstellen soll, ohnehin nicht ohne Notstromaggregat auskommt, reicht die durch die Schwungrad-Verfahren bereitgestellte Überbrückungszeit aus, bis der Dieselgenerator die Last unterstützt. Dies lässt sich innerhalb von zwölf Sekunden erreichen. Längere Überbrückungszeiten verbessern die Wahrscheinlich nicht, dass der Diesel nach einem Fehlstart bei einem zweiten Startversuch anspringt, sondern verschärfen lediglich das Temperaturproblem im Rechenzentrum. Der Wirkungsgrad von Active Powers flywheel-basierten USV-Systemen liegt bei 98% bei optimalen Lastbedingungen und sinkt auch bei ungünstigen Lastverhältnissen von 33% nicht unter 95%.

USV-Systeme eliminieren Stromstörungen

Neben der Versorgung der Last bei Spannungsausfällen regulieren USV-Systeme die Stromqualität und eliminieren Verunreinigungen. Ermittelt werden sie von der CleanSource UPS-Technologie mit Verfahren wie der Messung des Spannungseffektivwertes, der Abfrage der Eingangsspannung und der Messung von Änderungen der DC-Bus-Spannung. Sämtliche in IEEE aufgeführten Netzstörungen werden vom System behoben. Die Umschaltung auf die Versorgung über das Schwungrad erfolgt absolut unterbrechungsfrei ohne jegliche Verzerrung der Ausgangspannung.

Schwungrad-USVs bieten ein enormes Einsparpotenzial

Im Standard-ISO-Container: Das Stromversorgungssystem PowerHouse mit Schwungrad-USV kommt betriebsbereit frei Haus
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Die Kosten für Schwungrad-USV-Anlagen liegen über denen für eine USV-Anlage derselben Leistungsklasse in herkömmlicher Bauweise. Die Differenz ist in erster Linie den höheren Kosten für das Hightech-Schwungrad geschuldet. Den Mehrkosten bei der Anschaffung stehen Einsparungen bei Wartung und Ersatz von Batterien, beim Platzbedarf und bei den Stromkosten gegenüber. Active Powers Schwungrad-Lösungen machen sich im Schnitt bereits nach zweieinhalb Jahren bezahlt: So liegen Einsparungen im Verbrauch bei der CleanSource UPS im Jahr bei rund 380.000 kWh. Das macht bei den Stromkosten für den Betrieb der USV rund 45.600 € im Jahr aus bezogen auf einen um vier Prozentpunkte höheren Wirkungsgrad, die Kosten für die Kühlung sinken um bis zu 15.000 €. Der CO2-Ausstoß vermindert sich um bis zu 273 Tonnen jährlich. Außerdem entfallen Umweltbelastungen durch die Entsorgung bzw. das Recyceln der in Batterien verwendeten giftigen Inhaltsstoffe. Die Flywheel-Technik ist auf eine Lebenszeit von bis zu 20 Jahren ausgelegt und stellt damit ein hohes Maß an Nachhaltigkeit im Umgang mit den Ressourcen sicher, die für den Bau der Anlagen eingesetzt worden sind

* * Uwe Schrader-Hausmann ... ist Chief Technical Officer und Vice President, Engineering bei Active Power

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