Notstromaggregate für den Rechenzentrumsbetrieb Alternativen zum Diesel gesucht trotz vieler regulatorischer Hürden

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Datacenter-Betreiber setzen gerne auf Dieselgeneratoren als primäre Netzersatzanlagen. Der eine oder andere macht sich um den Nachschub Sorgen. Die Preise von Kraftstoff und die Verfügbarkeit von Ersatzteilen stehen in Zeiten geopolitischer Unsicherheit und stotternder Versorgungsketten unter einem Fragezeichen. Und: Viele Verantwortlichen wünschen sich flexiblere Alternativen.

„Dieselaggregate bieten derzeit die höchste Sicherheit und die kohärentesten technischen Eigenschaften für Notstrom-Energiesysteme,“ bestätigt Tobias Bertler, Senior Manager Direct Sales & Business Development APAC at Rolls-Royce Power Systems.

Die Zuverlässigkeit von Diesel ist nachgewiesen – wohlgemerkt galt das in guten Zeiten. Denn stotternde Versorgungsketten lassen an dem Konzept Zweifel aufkommen. Diesel-Stromerzeuger brauchen neben Kraftstoff des Öfteren neue Ersatzteile.

Anbieter wie die ITS Industrial Trade & Service GmbH melden inzwischen Lieferengpässe (siehe: Abbildungen). Von den rund dreißig Produkten im Katalog lassen sich gerade einmal zwei Inverter-Generatoren vorbestellen; sämtliche 28 Diesel-Notstromaggregate stehen auf „ausverkauft“. Andere deutsche Anbieter sprechen von Lieferzeiten zwischen acht bis 14 Wochen.

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Tipp: Für Rechenzentren, die sich aus den Vereinigten Staaten versorgen lassen können, besteht die Möglichkeit, einen für die U.S.-Netzspannung von 60 Hertz (Hz) ausgelegten Notstromaggregat für die hiesigen Verhältnisse (50 Hz) anzupassen. Denn die Netzfrequenz nicht in Stein gemeißelt. Durch das Senken der Motordrehzahl lässt sich die Netzfrequenz von 60 Hz auf 50 Hz reduzieren. (Zu der Harmonisierung der Emissionsnormen zwischen den Vereinigten Staaten und der Europäischen Union siehe den ersten Bericht in dieser Serie: „Emissionsstandards für Dieselaggregate im Rechenzentrum; Streng reguliert: Netzersatz mit Diesel-Notstromtechnik“.)

Emissionsstandards für Dieselaggregate im Rechenzentrum

Streng reguliert: Netzersatz mit Diesel-Notstromtechnik

Richtig eingestuft?

Der Industriestandard für Stromaggregate hinsichtlich ihrer Schall-, Vibrations- und Temperatureigenschaften ist die ISO-Norm 8528. Sie definiert vier Leistungsklassen - G1, G2 und G3 und G4 (die Letztere ist für vereinbarte Leistungskriterien reserviert, also für Absprachen zwischen dem Lieferanten und dem Käufer). Die Norm ISO 8528-6:2005 definiert die Testmethoden. Die Norm ISO 8528-1:2005 schafft eine gemeinsame Grundlage, um die Vergleichbarkeit von Stromerzeugungsaggregaten verschiedener Hersteller zu gewährleisten.

Die Norm ISO 8528-1 schuf eine neue Leistungskategorie von Stromerzeugungsaggregaten für Rechenzentren: Rechenzentrumsdauerleistung (in Englisch: Data Center Power, kurz: DCP).

Die ISO 8528-1 definiert DCP als „die maximale Leistung, die ein Stromerzeugungsaggregat bei der Versorgung einer variablen oder kontinuierlichen elektrischen Last und während unbegrenzter Betriebsstunden erbringen kann“. Je nach den zu versorgenden Standorten und der Verfügbarkeit eines zuverlässigen Stromversorgers ist der Hersteller des Stromaggregats dafür verantwortlich, zu definieren, welches Leistungsniveau er liefern kann, um diese Anforderung zu erfüllen, einschließlich der Hardware, der Software und etwaiger Anpassungen der Wartungspläne. Der Dauerbetrieb unter Last parallel zu einem Versorgungsnetz ist nicht erlaubt.

Eingruppierung

Großdieselaggregate (800 bis 4.000 Kilowatt (kW)) mit der Leistungskategorie DCP gemäß der ISO8528-1-Norm liefert unter anderem Caterpillar – mit der Kennzeichnung „Prime - Data Center Power“.

Generatoren mit der Einstufung „Standby“ (Emergency Standby Power, ESP) sowie „Mission Critical“ von Anbietern wie Caterpillar laufen seit Jahren in Rechenzentren, darunter auch in Tier III- und Tier IV-Rechenzentren (gemäß der Tier-Definition des Uptime Institute). Während Caterpillar und die Mehrheit seiner Kunden für Anwendungen in Rechenzentren die Einstufung „Standby“ vorziehen, gäbe es laut dem Anbieter durchaus auch Bedarf an Stromaggregaten gemäß den DCP-Anforderungen der ISO 8528-1. Diesen Bedarf sieht auch Himoinsa, eine Unternehmen der Yanamar-Gruppe, einem Diesel-Hersteller aus dem japanischen Osaka.

Die durchschnittliche Leistungsabgabe eines Notstromgenerators der Leistungskategorie DCP beträgt 100 Prozent der DCP-Nennleistung mit einer Überlastfähigkeit von 10 Prozent für den Notbetrieb für maximal eine Stunde in einem Zeitfenster von zwölf Stunden. Der Überlastbetrieb darf 25 Stunden pro Jahr nicht überschreiten. DCP stimmt mit der PRP-Definition (Prime Power) nach ISO 8528-1:2005 überein, mit dem Unterschied, dass DCP 100 Prozent der Leistung kontinuierlich liefern kann.

Dieselmotoren nach der DCP-Einstufung erlauben grundsätzlich die Klassifizierung eines Rechenzentrums nach den Standards Tier III und Tier IV des Uptime Institute, da sie die Anforderungen an eine alternative Stromquelle erfüllen, allerdings nur unter der Voraussetzung einer niedrigen Ausfallwahrscheinlichkeit der Hauptstromquelle. Letzteres begründet, warum die Hersteller von Diesel-Notstromaggregaten die Nutzung der Motoren auf Länder mit stabilen Stromnetzen beschränken.

Vom Anwendungsstandpunkt aus gesehen ist ein Notfallaggregat vom Typ DCP für eine längere Parallelschaltung mit einem Versorgungsunternehmen zur Spitzenlastreduzierung oder zum Last-Management nicht vorgesehen. Eine kurzzeitige Parallelschaltung mit dem Stromversorger ist nur für das sanfte Laden/Entladen der Aggregate bei der Umschaltung auf oder vom Stromversorger zulässig.

Die Einstufung „Standby“ definiert die maximale Leistung, die bei wechselnder Last für die Dauer der Unterbrechung der normalen Stromversorgung zur Verfügung steht. Bei einer Standby-Leistung ist kein Überlastbetrieb möglich. Die durchschnittliche Last wird in der Regel auf 70 Prozent der Standby-Nennleistung beschränkt. Hinzu kommen weitere Begrenzungen für die Betriebsstunden (typischerweise zwischen 200 und 500 Stunden pro Jahr).

Standby, Nenn- und Primärleistung

Standby-Generatoren sind dafür ausgelegt, bei einem Ausfall der Hauptstromversorgung einzuspringen. Für den Umschaltvorgang ist ein Transferschalter zwingend erforderlich. Ein Generator mag aber mit einer Nennleistung von 300 Kilovoltampere (kVA) für die Primärleistung und 330 kVA für die Standby-Leistung klassifiziert sein. Daraus ergeben sich in der Praxis sehr unterschiedliche Modalitäten.

Beim Betrieb gemäß der Einstufung „Prime Power“ könnte die Anlage mit 300 kVA laufen, aber die durchschnittliche Last sollte 70 Prozent dieser Leistung betragen (210 kVA). Für jede erste von zwölf Stunden (vorbehaltlich der Richtlinien des Herstellers zur Laufzeitbegrenzung) kann der Generator mit einer Überlast von 10 Prozent gegenüber der Nennleistung laufen, was 330 kVA ergibt. Die Anzahl der jährlichen Betriebsstunden unter Volllast ist in diesem Nutzungsszenario nicht beschränkt.

Bei der Verwendung als Notstromaggregat gemäß der Einstufung „Standby“ kann der Generator mit 330 kVA betrieben werden, die durchschnittliche Last sollte jedoch 70 Prozent dieser Leistung betragen (231 kVA). Für den Notstrombetrieb steht keine Überlast zur Verfügung, und die Betriebsstundenbeschränkungen des Herstellers müssen berücksichtigt werden.

Nicht alles „Bio“ ist „grün“

Ein Datencenter könnte rein technisch gesehen mit zwei Kategorien von Dieselaggregaten betrieben werden: einmal Primary, einmal Standby; so sieht das jedenfalls die ISO. Beim Einsatz von Biodiesel wäre dies unter gewissen Bedingungen sogar karbonneutral – doch nur auf dem Papier und nicht ohne erhebliche Belastungen für die Umwelt und die Gesellschaft.

Laut einem Forschungsbericht der Universität Virginia aus dem Jahre 2016 könnte der Wegfall der Biokraftstoffproduktion auf Ackerland zum Zeitpunkt der Veröffentlichung der Studie etwa einen Drittel der unterernährten Weltbevölkerung mit Nahrungsmitteln versorgen. Andere Analysen kamen zu ähnlichen Resultaten; einige führten sogar die von Jahr zu Jahr steigenden Kosten für Agrarerzeugnisse auf die Produktion von Biodiesel zurück. Doch der Wettbewerb um den Acker beiseite: Notstromaggregate vertragen sich nicht gut mit Biodiesel.

Das Geheimnis: Biodiesel habe einen höheren Bio- und Wasseranteil als herkömmlicher Diesel und sei daher schlechter lagerfähig, enthüllt Rolls-Royce-PowerSystems-Mann Bertler. Der Bio-Kraftstoff sei nämlich „anfälliger für Alterung durch Mikro-Organismen“ und könne sogar „umkippen“.

Alter Kraftstoff boykottiert den Notstrom

In den "Diesel" gehört Heizöl

Das Phänomen werde als „Dieselpest“ bezeichnet, bei der sich im Kraftstoff ein Bioschlamm bildete, der Fehlfunktionen und Schäden an Geräten verursachen könne, so Bertler weiter. Da der Kraftstoff in Notstromanlagen oft über längere Zeiträume gelagert werde, sei Biodiesel für diesen Zweck nicht gut geeignet.

Eine vielversprechende Alternative zu Biodiesel stellen Wasserstoffbrennzellen dar.

Auch nur mit Wasser gekocht

Für Wasserstoff sprächen „starke Argumente“, erklärt Ryan Murphy, Sales Lead for Data Center Solutions in North America. Dazu zählten „die hohe Zuverlässigkeit, die Skalierbarkeit und die Fähigkeit, sowohl Schadstoff- als auch klimaschädliche Emissionen auf Null zu reduzieren“.

Rolls-Royce Power Systems entwickelt sein MTU-Gasmotorenportfolio für die Stromerzeugung und Kraft-Wärme-Kopplung mit dem Ziel im Auge, Wasserstoff als Kraftstoff zu nutzen, um eine im wahrsten Sinne klimaneutrale Energieversorgung Realität werden zu lassen.

Ist das möglich?

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Der Grundbedarf an Strom für ein Rechenzentrum könnten in Zukunft Photovoltaik- und Windkraftanlagen anstelle öffentlicher Stromnetze decken, glaubt Ryan Murphy. Ausreichende Verfügbarkeit von „grünem“ Strom vorausgesetzt könne Wasserstoff durch Elektrolyse aus Wasser hergestellt und vor Ort gespeichert werden.

Darüber hinaus ließe sich der Wasserstoffbedarf für den Betrieb der Brennstoffzelle aus einem Wasserstoff-Versorgungsnetz decken: Es würde sofort die Versorgung des Rechenzentrums übernehmen, um bei einem Stromausfall die Betriebsbereitschaft der Infrastruktur aufrechtzuerhalten. Brennstoffzellen würde im Vergleich zu Dieselaggregaten ein hoher elektrischer Wirkungsgrad auszeichnen (zirka 50 Prozent, statt nur rund 40 Prozent).

Emissionsfreie Energieversorgung per Brennstoffzellen

Rolls-Royce, Cellcentric und MTU investieren in H2-basierten Strom für Datacenter

Wasserstoff-Brennstoffzellenlösungen der MTU-Reihe basieren auf „Cellcentric“-Brennstoffzellenmodulen des gleichnamigen Joint Ventures der Daimler Truck AG und Volvo Group. Diese Brennstoffzellen emittierten „nichts anderes als Wasserdampf“, freut sich Murphy. Kein Kohlenstoffdioxid, keine Stickoxide, kein Feinstaub – anders als bei Diesel-Notstromaggregaten. Weitere Vorteile der Wasserstoffzellen sind der geräuscharme, vibrationsfreie Betrieb, der geringe Wartungsbedarf (mangels mechanischer Teile) und die einfache Skalierung.

Seit der Übernahme des belgischen Unternehmens Kinolt im Juli 2020 führt Rolls-Royce auch die „MTU Kinetic Power Packs“ im Produktsortiment, eine Komplettlösung zur unterbrechungsfreien Energie- und Notstromversorgung sicherheitskritischer Einrichtungen auf der Basis von Schwungrad-Energiespeichern und Dieselmotoren.

Bei Ausfall der primären Versorgung (typischerweise des öffentlichen Stromnetzes) können diese Systeme die Kontinuität der qualitativ hochwertigen Energieversorgung ohne Strom- oder Spannungsabfall im Inselnetz zuverlässig sicherstellen und davon einmal abgesehen auch noch den parasitären Energieverbrauch ausmerzen. Ein Pluspunkt dieser Lösung ist ihre kompakte Bauweise.

MTU-Notstromaggregate erfüllen die höchsten Abgasemissions-Standards. Dennoch entstehen bei der Verbrennung des Diesel-Kraftstoffs prinzipbedingt immer Schadstoffemissionen – genauso wie im Falle der Verbrennung von Erd- oder Biogas.

Im Kontext der unsicheren geopolitischen Lage steht die Versorgung mit Kraftstoff für beide diese Arten von Verbrennungsmotoren unter einem großen Fragezeichen. Sie bieten nicht genug Freiheitsgrade zum Ausweichen auf Alternativen – anders als Wasserstoff.

Wenn anstelle von Diesel-Motoren einfach Brennstoffzellen die Ersatzstromversorgung übernehmen – sei es als unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) oder als Netzersatzanlage (NEA) – würde nur Wärme und feuchte Abluft entstehen. Das wäre dann natürlich noch ein Stück besser als Diesel.

Rolls-Royce und die die Daimler Truck AG kooperieren bereits seit mehreren Jahren, um die CO₂-neutrale Notstromversorgung von sicherheitskritischen Einrichtungen wie Rechenzentren mit stationären Brennstoffzellengeneratoren möglich zu machen. Diese sollen emissionsfreie Alternativen zu Dieselmotoren bieten, die bislang als Notstromaggregate oder zur Abdeckung von Spitzenlasten zum Einsatz kommen.

* Das Autorenduoa Filipe Pereira Martins und Anna Kobylinska leben in Las Vegas und arbeiten für McKinley Denali Inc. (USA).

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