Eaton-Ratschläge für Konzeption, Planung und Betrieb 6 Prinzipien für effektives und effizientes Systemdesign in Rechenzentren

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Schneider Electric GmbH

VON ZUR MÜHLEN'SCHE GmbH

Data Center Group – Büro Köln

Noch nie waren die Anforderungen an Rechenzentren hinsichtlich Nachhaltig und Leistung höher als heute. Bereits in der Konzeptionsphase bedarf es sorgfältiger Planung, um später ein optimal funktionierendes Datacenter in Betrieb nehmen zu können

Andreas Rockenbauch, Senior Client Manager EMEA - Datacenter von Eaton, zeigt, wie Rechenzentrumsbetreiber durch die Anwendung systemtechnischer Prinzipien ihr Risiko verringern, ihre Komplexität reduzieren und ihre Leistung steigern können.

1. Das Einbeziehen einzelner Komponenten auf diversen Ebenen

Jede einzelne Komponente muss analysiert werden, um ihren Zweck, ihre Eigenschaften und ihr Zusammenspiel innerhalb des Systems zu verstehen. Mithilfe einer digitalen Softwareplattform können Nutzer die Platzierung, Verwaltung und Integration von Geräten optimieren. So kann die Leistung optimiert und Ausfällen vorgebeugt werden. Es hilft, die Eigenschaften der Komponenten und ihre Auswirkungen auf elektrische Eigenschaften, Spannung, Kapazität und Impedanz zu verstehen.

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Um die Effizienz zu steigern, ist es wichtig, die Verluste der Komponenten zu verringern, den Leistungsfaktor zu verbessern und die Lasten auszugleichen. Die Systeme sollten auf Redundanz und Zuverlässigkeit ausgelegt sein, mit redundanten kritischen Komponenten und vorausschauender Wartung auf Komponentenebene.

Eine Bestandsaufnahme

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2. Das Digitalisieren des Energie-Managements

Die Integration einer digitalen Ebene in Energie-Management-Systeme ermöglicht die Überwachung und Verwaltung von Anlagen, längere Lebensdauer und optimierte Leistung (siehe: Kasten). Durch kontinuierliche Überwachung und Wartung wird sichergestellt, dass alle Komponenten mit höchster Effizienz arbeiten, und gleichzeitig können Betreiber potenzielle Risiken erkennen, die innerhalb des Systems auftreten können.

Digitale Zwillinge in Verbindung mit Künstlicher Intelligenz (KI) und Maschinellem Lernen können Betreiber die Leistung bereits in der Entwurfsphase optimieren, indem sie Bereiche identifizieren, in denen Geräte möglicherweise Fehlfunktionen aufweisen. Außerdem können sie die Energie-Effizienz durch Verbrauchsüberwachung und optimierte Nutzung und Leistung des gesamten Systems verfolgen. In der Energieverteilung ist es zum Beispiel wichtig, die Lastnutzung und die Temperatur zu überwachen, insbesondere die der Wicklungen von Transformatoren, und den Kontaktverschleiß an Schaltanlagen zu verfolgen.

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3. Ganzheitliche Betrachtung der komplexen Systeme

Dieses Prinzip fördert einen umfassenderen Ansatz bei der Systementwicklung, anstatt das System als eine Reihe von Funktionsblöcken zu betrachten. Richtig integrierte Komponenten minimieren die Energieverschwendung und sorgen für eine effiziente Nutzung von Lasten mit hohem Energieverbrauch, wie etwa bei der Kühlung. Durch ein gut konzipiertes, integriertes System können Betreiber den Ausfall von Komponenten reduzieren, ihre Nutzung optimieren und ihre Lebensdauer verlängern, was wiederum zu Ihren Betriebs- und Nachhaltigkeitszielen beiträgt.

4. Maßnahmen zur Effizienzsteigerung

Die Auswahl und Berücksichtigung der richtigen Ausrüstung ermöglicht eine verbesserte Gesamteffizienz. In Niederspannungssystemen beispielsweise lässt sich durch das Verwendung von Kupferschienen die Verlustleistung im Vergleich zu Aluminiumschienen um etwa 25 Prozent reduzieren.

Darüber hinaus kann eine Softwareplattform die Energie-Effizienz mithilfe von ML und KI überwachen und verwalten. Das hilft den Verantwortlichen besser zu verstehen, an welcher Stelle in der Energieverteilung Verluste auftreten und wie sie verhindert werden können. Andere Maßnahmen wie die Optimierung von Kabellängen und der Verwendung von Transformatoren mit geringer Verlustleistung ermöglichen weitere Energie-Einsparungen.

5. Die Energiewende hat Auswirkungen

Mit der Energiewende gewinnt Gleichstromerzeugung (hauptsächlich aus Photovoltaik) an Bedeutung. Damit nehmen allerdings auch die großen rotierenden Massen schwerer Generatoren ab, die bisher als so genannte Momentanreserve eine stabilisierende Wirkung für das Netz hatten. So entstehen mehr Schwankungen, die Einfluss auf die Netzqualität haben.

Auch die Auswirkungen auf Oberschwingungen und Spannungsschwankungen, die sich aus der Einführung von mehr Gleichstromquellen ergeben, müssen Betreiber beachten. Eine digitale Ebene ermöglicht es, den Mix aus erneuerbarer Erzeugung vor Ort und außerhalb des Standorts zu verstehen und den verbrauchten Strom und seine Quelle zu überwachen.

6. Das Gebot der Flexibilität

Ein flexibler und dynamischer Designansatz hilft, sich auf wechselnde Anforderungen und neue Technologien wie KI einzustellen. Eaton-Produkte sind in der Lage, die Herausforderungen zu meistern, die mit variablen Lasten aufgrund von Nachfrage- und Erzeugungsschwankungen verbunden sind, um den Systembetrieb, das Spannungsniveau und die Leistungsverluste zu optimieren.

Die Rolle der Energie-Management-Software

Simon Feger, Product Manager von Eaton, ergänzt die Ausführungen: „Der Stromverbrauch von Rechenzentren ist einer der wichtigsten limitierenden Faktoren, wenn es um den Ausbau von IT-Infrastrukturen geht. Einige Städte haben bereits Beschränkungen für die Neuansiedlung von Rechenzentren erlassen, da sie um die Stabilität des örtlichen Stromnetzes fürchten.

In den traditionellen Knotenpunkten wie Frankfurt, London, Amsterdam, Paris und Dublin wird es daher immer schwieriger Genehmigungen für Neubauten zu erhalten. Betreiber setzen daher einerseits auf Standorte abseits dieser großen Hubs. Andererseits müssen allerdings auch die bestehenden Rechenzentren effizienter werden, schlißlich können die Energiepreise auch wieder steigen.

Außerdem überarbeitet die EU aktuell einige ihrer wichtigsten Richtlinien, darunter ist auch die Neufassung der Energie-Effizienz-Richtlinie (EED). Die Europäische Kommission hat zudem eine Studie über die Energie-Effizienz und Nachhaltigkeit von Rechenzentren in Auftrag gegeben, was bedeutet, dass die Rechenzentrumsbranche darauf vorbereitet sein sollte, dass die politischen Entscheidungsträger und Regulierungsbehörden eine strengere Haltung einnehmen werden. Die Branche sollte sich also bereits jetzt vorbereiten.

Power Management für mehr Effizienz

Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) ist in Rechenzentren Pflicht. Doch die dafür eingesetzten Systeme unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Effizienz deutlich.

In der Regel ist das System aus Gleichrichter, Batterie und Wechselrichter konstant in Betrieb, was zu Verlustleistung führt. Daher ist bei vielen Anlagen bereits eine Hocheffizienz-Funktion integriert, die den elektrischen Strom direkt durchschleift, solange im Netz keine Anomalien vorliegen. Sollte es zu Störungen kommen, werden diese von Sensoren sofort erkannt und es wird auf Batteriebetrieb umgeschaltet.

Aufgrund von Sicherheitsbedenken wurde die Hocheffizienzfunktion jedoch früher selten angewendet. Neueste Geräte verfügen über eine weiterentwickelte Technik, die nicht nur gesteigerte Effizienz, sondern auch hohe Sicherheitsstandards bietet.

Die dahinterstehende Technologie schützt organisationsinterne Netzwerke und IT-Anwendungen vor Netzfluktuationen und -ausfällen, indem die Netzspannungsqualität kontinuierlich überwacht und auf Fluktuationen reagiert wird. Werden Veränderungen der Spannung erkannt, können diese, ohne Batterien beanspruchen zu müssen, ausgeglichen werden.

Sollte es zu einem Stromausfall kommen, kann binnen kürzester Zeit auf Batteriebetrieb umgeschaltet werden. Die moderne Sensorik und Schalttechnik reagiert dabei so schnell, dass dies keinen Einfluss auf den Betrieb von empfindlicher Elektronik hat. So kann die Zeit bis zum Hochfahren von Notstromgeneratoren überbrückt oder ein geordnetes Herunterfahren eingeleitet werden.

Strom für Rechenzentren und ....

Eine weitere vielversprechende Option zur Effizienzsteigerung in Rechenzentren ist der Ansatz der netzinteraktiven Rechenzentren. Diese könnten zukünftig ein interessanter Weg zur Unterstützung der Energiewende und zur Erzielung zusätzlicher Einnahmen werden.

Ungenutzte Batteriekapazitäten der USV auf Basis alternativer Technologien können bei diesem Ansatz dem Netzbetreiber gegen eine entsprechende Vergütung als Flexibilitätsreserve zur Verfügung gestellt werden. Solche Reserven werden im Zuge der Energiewende immer wichtiger, da durch die volatilere und kleinteiligere Erzeugung mehr Eingriffe zur Stabilisierung der Frequenz notwendig werden.

Energie-Einsparung durch geordnetes Herunterfahren

Durch das geordnete Herunterfahren („Graceful Shutdown“) von Servern und virtuellen Infrastrukturen während betriebsschwacher Zeiten – etwa nachts oder an Wochenenden – können Rechenzentrumbetreiber weitere Energie einsparen. Mit Software wie „Intelligent Power Manager“ von Eaton lassen sich diese Vorgänge und das Wiederhochfahren planen, ohne dass die Hardware Schaden nimmt.

Durch die Abschaltung von nicht benötigter Hardware können Energiekosten um bis zu 50 Prozent gesenkt werden. Durch den kontrollierten und organisierten Shutdown-Prozess wird die Datenintegrität nicht beeinträchtigt und kritische Dienste können online bleiben.

Durch die gezielte Abschaltung von Servern und Anwendungen wird zudem der Verschleiß von IT-Infrastruktur verlangsamt und deren Lebensdauer verlängert. Außerdem sinken so die Wartungskosten und die Gesamteffizienz des IT-Betriebs steigt.

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