Sofortmaßnahme zu mehr Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit im Rechenzentrumsbetrieb Das Notstromaggregat im Datacenter ist eine Erlösquelle

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Der Strombedarf von Rechenzentren in Deutschland ist in den vergangenen zehn Jahren kontinuierlich gestiegen. Im Corona-Jahr 2020 erreichte er imposante 16 Terawattstunden. Klar, dass die Branche Bedarf sieht, aktiv gegenzusteuern - zumal der Preis steigt und steigt, die Emissionen auch. Das Potenzial Notstromaggregat aber liegt dennoch brach - zumeist und leider.

2021 befragte der Branchenverband Bitkom in einer Studie Experten zu den größten Risiken für Rechenzentren in Deutschland. Viele nannten allem voran: steigende Strompreise (Seite 37). Denn Strom war in Deutschland schon vor der gegenwärtigen Energiekrise teuer, aktuell aber führt die europaweite Gasmangellage zu rasant steigenden Preisen. Das belastet Rechenzentren erheblich.

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Deren immenser Stromverbrauch bedeutet aber nicht nur einen Kostenfaktor, sondern er ist auch klimaschädlich. Einige Betreiber von Rechenzentren haben das bereits erkannt und Potenziale für einen ökologisch nachhaltigeren Betrieb untersucht. Dabei ging es primär um die Verbesserung der technischen Energie-Effizienz, insbesondere im Bereich der Kühlung.

Aber auch die mit dem Betrieb der dieselbetriebenen Netzersatzanlagen verbundenen CO₂-Emissionen sind wenig umweltfreundlich. Dennoch gaben Rechenzentrumsbetreiber im Rahmen der Bitkom-Studie an, dass der Ersatz ihrer klassischen Diesel-Notstromaggregate aktuell allenfalls in sehr geringem Umfang in Planung oder gar Umsetzung sei.

Warum denn nicht?

Eine Erklärung dürfte sein, dass alternative Technologien der Netzersatzversorgung erheblich teurer sind als klassische Notstromaggregate. Für 24 oder 48 Stunden Netzersatzkapazität (vergleiche: DIN EN 50600) sind beispielsweise Batteriespeicher, Wasserstoffmotoren oder Brennstoffzellen geeignet, aber diese Lösungen sind schlicht zu teuer; daher werden sie gegenwärtig allenfalls im Rahmen von Demonstrations- oder Versuchsprojekten eingesetzt.

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Dennoch existieren bereits heute Alternativen, um die in den meisten Rechenzentren vorhandenen Notstromaggregate wirtschaftlicher und nachhaltiger einzusetzen. Denn diese Netzersatzanlagen können einen Beitrag zur Entlastung des Stromverteilnetzes sowie zur Stützung des Übertragungsnetzes leisten und so attraktive Erträge erzielen. Damit lassen sich die steigenden Stromkosten kompensieren und der Betrieb der Aggregate umweltfreundlicher gestalten.

Eine energiewirtschaftliche Nutzung der Notstromaggregate ist sofort umsetzbar

In Zusammenarbeit mit spezialisierten Aggregatoren aus der Energiewirtschaft können Betreiber von Rechenzentren ihre Netzersatzanlagen nämlich vermarkten. RWE Supply & Trading, die Energiehandelstochter von RWE, bietet Rechenzentrumsbetreibern einen energiewirtschaftlich optimierten und ökologisch nachhaltigen Einsatz der Notstromaggregate an, der lediglich einer geringfügigen Erweiterung des Probebetriebes bedarf und zudem nachweislich keine Rückwirkung auf die Sicherheit des Rechenzentrums hat.

Regelenergie: Die Aggregate werden üblicherweise betriebswarm vorgehalten, so dass sie bei Netzausfall innerhalb von 30 Sekunden gestartet und binnen weniger Minuten zur Übernahme der Netzersatzversorgung im Rechenzentrum genutzt werden können (so genannter Inselbetrieb). Diese zuverlässige und schnelle Warmstarteigenschaft ist eine herausragende Besonderheit in der Kraftwerkslandschaft, die aus energiewirtschaftlicher Sicht keinesfalls ungenutzt bleiben sollte.

Die Betriebsbereitschaft dieser bestehenden Notstrom-Erzeugungskapazitäten kann auf dem Markt für so genannte Sekundärregelleistung platziert werden, so dass beispielsweise weniger thermische Kraftwerke gedrosselt betrieben oder Pumpspeicherkraftwerkskapazitäten vorgehalten werden müssen, um bei Unterfrequenzen im deutschen Übertragungsnetz zur Netzstützung einspringen zu können. Weil eine Erzeugung so genannter Regelarbeit mit diesen Aggregaten mit hohen Erzeugungs- und Betriebskosten – und damit Arbeitspreisen – einhergeht, ist nur von äußerst seltenen Einsätzen auszugehen.

Im Vordergrund steht vielmehr die Leistungsvorhaltung (Betriebsbereitschaft), die über einen separaten Leistungspreis vergütet wird. Im Jahr 2021 betrug der Jahresleistungspreis für die Vorhaltung positiver Sekundärregelleistung über 100.000 Euro pro Megawatt.

Spitzenlastkappung: Parallel zur Regelleistungsvorhaltung können Notstromaggregate auch dazu genutzt werden, die Strombezugslast des Rechenzentrums beziehungsweise diejenige von dessen vorgelagertem Netzbetreiber konstanter zu gestalten. Damit kann das Verteilnetz wirksam entlastet werden. Es gibt hierbei grundsätzlich zwei Optionen:

• Bestandsaggregate, die vor dem 1.1.2023 in Betrieb genommen worden sind, haben Anspruch auf so genannte vermiedene Netzentgelte nach § 18 StromNEV. Wenn die Aggregate zum Zeitpunkt der Jahreshöchstlast des Anschlussnetzbetreibers eingespeist haben, reduzieren sie dessen Leistungsentgelt im Bezug aus der vorgelagerten Netzebene.
  Die eingesparten Kosten sind gemäß vorstehender Norm an den dezentralen Einspeiser auszuzahlen. Sie betragen – je nach Netzbetreiber und Netzebene – üblicherweise zwischen 20.000 Euro/MW und 60.000 Euro/MW. Mit einer guten Prognose der relevanten Jahreshöchstlastmomente in der betreffenden Verteilnetzebene genügen beispielsweise 30 Stunden Betrieb pro Jahr, um dieses Entgelt für dezentrale Einspeisevergütung zu realisieren.

• Alle Aggregate, das heißt auch solche in Rechenzentrumsneubauten, können zur Reduzierung der Netzentgelte für den Strombezug des Rechenzentrums verwendet werden. Dabei wird der Online-Messwert des Übergabezählers kontinuierlich überwacht und bei Erreichen beziehungsweise Überschreiten eines vorab definierten oder dynamisch generierten Schwellenwertes der Betrieb von Aggregaten getriggert, so dass der für die Netznutzung abrechnungsrelevante Viertelstundenwert des Strombezugslast über temporäre Eigenversorgung einzelner Notstromaggregate reduziert wird.
  So lässt sich der Leistungspreis aus der Netznutzung wirksam reduzieren. Die Jahresleistungspreise für Netzbezug in der Netzebene Mittelspannung (Tarifzone >2.500 Stunden) liegen üblicherweise zwischen 60.000 Euro/MW und 120.000 Euro/MW. Das Optimierungskonzept kann daher schon bei geringen Lastspitzen erhebliche Beiträge generieren.
  Dieses Modell kann auch zur aktiven Überwachung der Bedingungen individuellen Netzentgelten (zum Beispiel für so genannte intensive Netznutzung nach § 19 Abs. 2 StromNEV) genutzt werden, sofern eine entsprechende individuelle Netzentgeltvereinbarung mit dem Anschlussnetzbetreiber getroffen ist. Sofern durch die Kappung von ungewollten Lastspitzen die in der Verordnung geforderten 7.000 Vollastbenutzungsstunden erreicht werden, sind in diesem Fall sind außerordentliche Einsparungen möglich.

Ob diese aktive Spitzenlastkappung auch robust und mit wenigen gezielten Eingriffen umsetzbar ist, kann im Vorfeld per retrospektiver Auswertung von Strombezugsprofilen bewertet werden.

Der Aufwand ist gering

Der Aufwand für die Umsetzung ist überschaubar. Zunächst muss mit dem Anschlussnetzbetreiber geklärt werden, ob die Aggregate für den netzparallelen Betrieb genutzt werden dürfen beziehungsweise welche Anforderungen aus der VDE-AR-N 4110 im vorliegenden Fall gelten. Oft liegt kein Einheitenzertifikat für die Aggregate vor, so dass gegebenenfalls alternativ ein Einzelnachweisverfahren (Anlagengutachten, siehe: Das Einzelnachweisverfahren bei der Komponentenzertifizierung (moe-service.com)) erstellt werden muss, welches die Netzverträglichkeit der Erzeugungsanlage nachweist. RWE Supply & Trading bietet dazu aktive Unterstützung bei der Klärung mit dem Anschlussnetzbetreiber an.

Nachdem sich der Rechenzentrumsbetreiber anschließend mit seinem energiewirtschaftlichen Aggregator über die vertraglichen Bedingungen geeinigt hat, ist die Installation einer sicheren Fernwirktechnik erforderlich. Nach Abstimmung des übersichtlichen Signalumfangs (Verfügbarkeit, Treibstofffüllstand, Ein/Aus, Ist-Leistung) wird von RWE eine vorab parametrierte „RWE-Flex2Market-Box“ zur Verfügung gestellt, so dass der vom Rechenzentrumsbetreiber beauftragte Hersteller oder Wartungsdienstleister der Notstromaggregate die Anbindung des Fernwirkgerätes mit der Anlagensteuerung des Aggregates beziehungsweise dem vorgeschalteten Leitsystem übernehmen kann.

Der Anschluss kann dabei wahlweise über Profibus, Modbus oder potenzialfreie Kontakte erfolgen (Medienbruch). Nur wenn im Rahmen der Spitzenlastkappung die dezentrale Einspeisevergütung realisiert werden soll, ist zur messtechnischen Abgrenzung der Notstromaggregate-Einspeisung von der zeitgleichen Bezugslast des Rechenzentrums außerdem die Installation zusätzlicher Zähleinrichtungen an den Aggregaten erforderlich, sofern diese noch nicht vorhanden sind; dann kann die Vermarktung beginnen.

Aber: Was ist mit der Rückwirkungsfreiheit auf die Datacenter-Sicherheit?

Berechtigterweise sind Betreiber von Rechenzentren skeptisch, wenn es darum geht, Dritten Zugriff auf Ihre Notstromversorgung zu gewähren. Schließlich handelt es sich um ihre letzte Absicherung gegen Stromausfälle und damit gegen etwaige Informationsverluste beziehungsweise einen Funktionsausfall ihrer Datenbanken (siehe: Stromaggregate für Rechenzentren (himoinsa.de). Wie bei jeder geschäftlichen Entscheidung sollten Vorbehalte und Bedenken daher zwar gründlich, aber eben auch ergebnisoffen überprüft werden.

RWE Supply & Trading hat diese Bedenken zum Anlass genommen, die TÜV Nord EnSys als ausgewiesene Expertin für Notstromversorgung in kritischen Systemen mit einer dezidierten Prüfung ihrer Dienstleistung „Erlösquelle Notstromaggregat“ bezüglich etwaiger Rückwirkung auf die Versorgungssicherheit des Rechenzentrums zu beauftragen. Das TÜV-Ergebnis ist eindeutig:

Da RWE bereits umfängliche Sicherheiten der eingesetzten Systeme bietet (ISMS Zertifizierung, „fail safe“-Einrichtungen und mehr), hatte der TÜV nur wenige Hinweise. Konkret geht es um

• 1. IT Security Anforderungen an die Fernwirktechnik,

• 2. Redundanz der Leistungsschalter zur Trennung von Versorgungsnetz und Notstromschiene,

• 3. Abnahme- und Funktionsprüfung nach Installation der Fernwirktechnik und

• 4. Überspannungsschutzeinrichtungen für die Fernwirktechnik.

Grundsätzlich lässt sich also festhalten; ein rückwirkungsfreier Zugriff auf die Notstromaggregate ist möglich.

Der Genehmigungserhalt

Da das Konzept von RWE lediglich darauf abstellt, die Aggregate in weniger als 50 Stunden Betrieb pro Jahr zu nutzen und die vorgegebenen Betriebslimits (beispielsweise 15 Stunden pro Monat, lokale Nachbetriebsverbote und Weiteres) strikt eingehalten werden, bleiben die Anlagen weiterhin als Notstromaggregate im genehmigungsrechtlichen Sinne qualifiziert.

Ein nachhaltiger Probebetrieb

Zum Nachweis der Funktionsfähigkeit der Notstromanlage muss diese regelmäßig, zum Beispiel monatlich für eine Stunde zuzüglich etwaiger Black-Building-Tests, zu Testzwecken mit jeweils mindestens 50 Prozent Last betrieben werden. Beim Verbrennungsprozess entstehen zwangsläufig CO₂-Emissionen.

Wenn diese Probebetriebe nun teilweise zeitlich flexibilisiert werden, so dass der Strom dann erzeugt wird, wenn das Elektrizitätsversorgungssystem ihn zur Netzentlastung oder -stützung benötigt, stellt dies aus volkswirtschaftlicher Sicht einen ressourceneffizienten als auch umweltverträglicheren Ansatz dar. Denn es werden unnötige Emissionen vermieden.

Die Betriebszeiten infolge der energiewirtschaftlichen Mitnutzung steigen allerdings von üblicherweise zwölf Stunden pro Jahr für den originären Probebetrieb auf bis zu 50 h/a. Mit den energiewirtschaftlich realisierten Erträgen lassen sich jedoch weitere Initiativen bezahlen, die zu einen insgesamt nachhaltigeren Einsatz der Notstromaggregate führen.

Insgesamt umweltverträglicher

Dazu gehört der Einsatz eines alternativen Kraftstoffs. Üblicherweise werden Notstromaggregate mit Dieselkraftstoff oder leichtem Heizöl in Dieselqualität (EN 590) betrieben. Allerdings sind die meisten Motoren auch für den Betrieb mit dem regenerativ hergestellten Kraftstoff „HVO100“ zugelassen.

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Nachhaltig? Diesel-Aggregate für Notstrom mit HVO

Bei „Hydrated Vegetable Oil“ handelt sich um einen synthetisch hergestellten Kraftstoff aus Pflanzenölen oder auch aus gebrauchten Speise-Ölen, dessen Zusammensetzung vergleichbar ist mit fossilem Diesel. HVO lässt sich zudem beliebig mit fossilem Dieselkraftstoff mischen, ist stabil beziehungsweise sogar besser zu lagern und weist sehr gute Verbrennungseigenschaften auf.

Weil HVO aus nachwachsenden Rohstoffen erzeugt wird, verringern sich im Vergleich zu herkömmlichem Dieselkraftstoff die CO₂-Emissionen um bis zu 90 Prozent. HVO100 ist lediglich rund 10 Cent pro Liter teuer als fossiler Kraftstoff. Diese geringen Mehrkosten lassen sich ohne Weiteres aus den energiewirtschaftlichen Erträgen refinanzieren.

Klimaneutral dank Zertifikaten

RWE bietet Ihren Kunden freiwillige Emissionszertifikate (so genannte Voluntary Emissions Rights, VER) an; damit kann der gesamte mit dem Betrieb der Dieselaggregate verbundene CO₂-Ausstoß internalisiert werden. Mit den Zertifikaten werden akkreditierte Klimaschutzprojekte gefördert.

Die Zertifikate können aus einer Vielzahl verschiedener Klimaschutzprojekte ausgewählt werden. Die Preise für die freiwilligen Emissionszertifikate liegen bei 4 bis 40 Dollar pro Tonne CO₂, je nach Klimaschutzprojekt, SDG und Jahreskennung. Ambitioniertere Rechenzentrumsbetreiber können nicht nur Zertifikate für den Dieseleinsatz erwerben, sondern mit weiteren Zertifikaten den gesamten Stromverbrauch des Rechenzentrums klimaneutral stellen.

* Claudius Beermann aus dem Asset Development Germany bei RWE Supply & Trading ist als Produktmanager für den RWE-Service „Erlösquelle Notstromaggregat“ verantwortlich.

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