Powertrains und PTUs Datacenter-Power gereiht, getestet, einsatzbereit und transportfähig

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Modulare Energie-Infrastrukturen, die so genannten Powertrain Units oder PTUs, bündeln leistungsstarke Energie-Erzeugung und -verteilung auf engstem Raum. Mit allen wesentlichen Komponenten einschließlich Kühlung, Brandschutz und Überwachung in einem kompakten, leicht transportierbaren Gehäuse bieten PTUs eine modulare, schnell einsetzbare Alternative zu klassischen, fest installierten Infrastrukturen - ein Trend.

Bei so genannten Powertrains ist von dem gesamten elektrischen Versorgungsweg eines Rechenzentrums die Rede. Er beginnt am Hauptanschluss an das öffentliche Stromnetz, umfasst alle wichtigen Komponenten für den Stromfluss und endet an den IT-Geräten in den Serverschränken. Typischerweise finden sich die Komponenten aufgereiht und aufeinander abgestimmt, getestet und transportfähig und doch individuell konfiguriert, quasi wie bei einem vollbepacken Güterzug - nur kompakter, wieder. Das ist ein durchaus beeindruckender Anblick.

Denn eine PTU verpackt die Funktionalität der benötigten Subsysteme — einschließlich Mittel- und Niederspannungsschaltanlagen, Transformatoren und USV-Anlagen, Batterien, Generatoren und PDUs, RPPs, Kühlung, Brandschutz und Stromleisten — in modular gefertigten Container. Diese werden zwischen der Hauptstromversorgung (Netz oder Generator) und den Server-Racks — ob im Innen- oder im Außenbereich — platziert und können die komplette Energie- und Klimaversorgung für einen oder mehrere IT-Bereiche übernehmen.

Im Powertrain eines Rechenzentrums ersetzt die PTU mehrere Einzelsysteme. Dank dieser Energieversorgungseinheiten entfällt die langwierige individuelle Installation der benötigten Subsysteme. Dies kann ihre Inbetriebnahme drastisch verkürzen.

N+1, mit einem Vorsprung von rund 20 Wochen

Im Rahmen eines groß angelegten Hyperscale-Projekts in Australien hat Delta Electronics in gerade einmal 16 Wochen ein Dutzend Power Train Units (PTUs) mit einer Leistung von je 1.425 Kilowatt (kW) bereitgestellt. Eine traditionelle Installation hätte zwischen 30 und 40 Wochen ind Anspruch genommen.

Die PTUs von Delta Electronics bündeln modulare Energie-Infrastrukturkomponenten wie USV-Systeme, Batteriespeicher, Kühlung, Brandschutzsysteme und Monitoring in einem kompakten, vorkonfigurierten Gehäuse. Jedes Modul ist speziell auf die Anforderungen des Standorts zugeschnitten und wird werkseitig einer umfassenden Vorabnahme (FAT, Factory Acceptance Testing) unterzogen, um die Installationszeiten zu verkürzen und Fehlerquellen vor Ort zu minimieren. Die modulare Architektur ermöglicht auch eine spätere Skalierung ohne größere Umbauten.

Seit Kurzem können Kunden derartige Powertrains im Soester Customer Experience Center des taiwanesischen Herstellers sehen. Der Unternehmenszweig Delta Energy Systems hat dafür eine Halle am Standort, an dem rund 400 Ingenieure:innen Neues in den Bereichen Leistungselektronik, Automation und Infrastruktur entwickeln, um- beziehungsweise gebaut. Gefertigt werden die Anlagen für den hiesigen Markt jedoch hauptsächlich in Tschechien, nicht weit weg von einer Vertiv-Fertigungsstätte.

Deltas PTU-Lösungen für dieses Projekt kombinieren modulare DPH-USV-Systeme mit UL9540A-zertifizierten Delta-Lithium-Ionen-Batterien. Ergänzt wird das Setup durch eine hybride DX-Wasserkühlung, eine Brandschutzerkennung über VESDA sowie eine Gaslöschanlage auf NOVEC-Basis. Das Monitoring und Management erfolgten über eine vollständig anpassbare Plattform, basierend auf Deltas Energy Management System (EMS).

PTUs mit Doppelwandler von Eaton

Eaton setzt in seinen Powertrain Units, häufig Online-USVs (Doppelwandler-USVs) ein. Mit einem Doppelwandler-USV (Online-Mode-USV) fungiert eine PTU wie ein Stromfilter zur Gewährleistung einer kontinuierlichen und stabilen Stromversorgung. Sie wandelt den Netzstrom kontinuierlich in Gleichstrom um (Stichwort: Gleichrichtung oder Rectifier) und dann wieder in Wechselstrom zurück (Stichwort: Wechselrichtung oder Inverter) — stets mit einer konstanten, bereinigten Ausgangsleistung.

Dadurch eliminiert sie Spannungsschwankungen, Frequenzänderungen und Störungen aus dem Netz. Die Batterie ist immer aktiv, sodass bei einem Stromausfall keine Umschaltzeit anfällt – die angeschlossenen Geräte erhalten weitere Energiezufuhr sofort. Der Wirkungsgrad erreicht laut Eaton 97 Prozent bei einer maximalen Leistungskapazität von 2,5 Megavoltampere.

Zusätzlich sind solche Systeme oft mit fortgeschrittenem Batterie-Management, Überwachungstechnologien und Diagnosefunktionen ausgestattet. All diese Maßnahmen gewährleisten, dass die sensiblen Elektroniken und Motorsteuerungen in den Powertrain Units optimal geschützt und funktionsfähig bleiben, selbst in Bereichen mit schwankender oder unzuverlässiger Netzqualität.

Alles gleich und doch anders

Das modulare Angebot für Rechenzentren umfasst Niederspannungs- und Mittelspannungsschaltanlagen, USV-Systeme, wie „Eaton 9395XR“ und „93PR“, Lithium-Batterien, Feuerlöschsysteme (Pre-Action-Sprinkler oder Gaslöschsysteme), Thermo-Management (Luftgekühlte oder wassergekühlte Systeme), Kabel- und Rohrleitungs- Management sowie integrierte Überwachungssysteme für Wartung und Betrieb. Eaton hat modulare PTUs unter anderem im Auftrag von Zenium Data Centers bereitgestellt.

Um die Bauzeit des Zenium London One Rechenzentrums in Slough zu verkürzen und den Fußabdruck zu minimieren, hat Eaton vorab gefertigte Mittelspannungs-Verteilereinheiten „Power Xpert FMX“ für die Außeninstallation systemgetestet geliefert. Diese containerisierten SF₆-freien Systeme sind werkstellig für die eingehenden A- und B-Stromquellen von Zenium vorbereitet worden und haben die Verbindung mit mehreren Notstromaggregaten mit minimaler Montage vor Ort ermöglicht.

Segregierte Gänge oder doch lieber DX?

Eaton setzt auf Hot & Cold Aisle Segregation. Um Hotspots in den Containern zu eliminieren und die Trennung von Kalt- und Warmgängen zu optimieren, führt Eaton CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) aus. Die taiwanesische Delta Electronics befolgt in Sachen Kühlung einen anderen Ansatz als die irische Eaton. Delta nutzt in seinen PTUs eine Direktexpansionskühlung (DX) in Verbindung mit einer Wasserkühlung.

Bei der Direktexpansionskühlung geht das Kältemittel direkt im Verdampfer in die Gasphase über, entzieht der Umgebungsluft Wärme und leitet sie ab. Doch anstatt die heiße Kältemittelluft direkt draußen über luftgekühlte Verflüssiger an die Umgebung abzugeben (wie bei herkömmlichen DX-Systemen), wird bei Delta die Wärme über eine Wasserkühlung abgeführt.

Das Wasser nimmt die Wärme vom Kältemittel auf und gibt sie über außenliegende Wärmetauscher oder Rückkühler (Cooling Towers oder geschlossene Systeme) an die Umgebung ab. Das spart Platz und erhöht den Wirkungsgrad.

Und bei Schneider Electric?

Auch Schneider Electric bietet hochperformante, standardisierte Powertrain-Architekturen mit schneller Inbetriebnahme, umfassender Zuverlässigkeit und digitaler Überwachung an. Der Anbieter setzt zur Bereitstellung von PTU-Funktionalität durch Plug-and-Play-Module auf die hauseigene „Ecostruxure“-Plattform.

Die Angebote sind modular, konzipiert für kurze Lieferzeiten und hohe Ausfallsicherheit. Sie umfassen unterbrechungsfreie Stromversorgung, Stromschienen und intelligente PDUs (Power Distribution Units).

Ein Highlight der Plattform von Schneider Electric ist die „Ecoflair“-Kühltechnik. Sie verbindet die indirekte adiabatische Kühlung mit PTU-optimierter Energieverteilung. Dieser Ansatz reduziert den Energieverbrauch um bis zu 60 Prozent.

Als globaler Betreiber von Rechenzentren arbeitet Schneider Electric mit unterschiedlichen Spannungsbereichen an Standorten weltweit. Die zuverlässige Versorgung dieser Standorte mit standardisierten Lösungen stellte mangels globaler Standards eine erhebliche Herausforderung dar.

Um seine Lieferkette zu vereinfachen, wandte sich das Unternehmen an HARTING. „Sie hatten ein Schlüsselelement“, erinnert sich James Kummer, Produktmanager für Rack-Systeme bei Schneider Electric: den „Han-Eco“-Steckverbinder. Schneider Electric hat den Steckverbinder von Harting als universellen PDU-Steckverbinder übernommen.

PTUs für KI-Cluster

Die „Smartmod“-PTU von Vertiv adressiert die Anforderungen von KI-Clustern. Die PTU integriert flüssigkeitsgekühlte Racks mit direkter Stromversorgung über Hochstrom-PDUs für eine Leistungsdichte von bis zu 100 kW pro Rack. Die PTUs sind mit Predictive-Maintenance-Sensoren ausgestattet, die Ausfälle durch Überwachung von Vibrationen und Temperaturgradienten voraussagen.

Vertiv lieferte PTU-Module unter anderem für „DCMUC1“, das 17 MW starke Tier-III-Rechenzentrum von Data Center Partners (DCP) in Unterschleißheim. Durch den Einsatz von AI-gesteuerten Lastverteilungsalgorithmen haben die Projektpartner die Auslastung der Transformatoren auf 95 Prozent optimieren können.

Der Standort soll 6.300 Quadratmetern (67.810 sq ft) an White Space auf drei Etagen bereitstellen und strebt einen PUE-Wert von 1,2 an. Die erste Phase des Projekts soll bis Mitte 2027 eine Kapazität von 8 MW bieten.

Das Vertiv-Power-Modul nutzt die Kerntechnologien von Vertiv in den Bereichen geschäftskritische Stromversorgung und Thermal-Management. Es enthält die „Liebert EXL S1“ UPS, Switchboards in mehreren Konfigurationen für kritische (USV-geschützte) und nicht kritische Abwärtsstromlasten, ein- und ausgehende Stromanschlüsse (in der Decke und unter dem Doppelboden), Leistungsschalter für automatisierten Transfer von Normalbetrieb auf Notfallstrom, integrierte Energiespeicher mit VRLA-Batterien, redundante Liebert-Thermal-Management-Einheiten mit Luftabschottung (für optimale Betriebsbedingungen aller Subsysteme selbst bei Stromausfall seitens des Versorgers) sowie Clean-Agent-Brandbekämpfung zum zuverlässigen Schutz im Brandfall.

Vertiv installiert alle Subsysteme werkseitig in einem sicheren, wetterfesten und transportablen Gehäuse. Die Einrichtung von der Ankunft vor Ort bis zur Inbetriebnahme und Bereitstellung ist in nur wenigen Tagen anstatt Monaten machbar. In der Variante „Timbermod“ setzt Vertiv Power-Module auf Massivholz als strukturelles Element anstelle von Stahl.

Gleichstrom-PTUs von ABB

ABB setzt bei den eigenen PTUs auf Gleichstrom. Die Systeme verzichten auf Umwandlungsschritte zwischen AC und DC und auf damit assoziierte Energieverluste. Die „ABB Ability“-PTUs nutzen 380-V-DC-Netze, um Server-Racks direkt zu versorgen. Dies steigert den Wirkungsgrad um 8 Prozent gegenüber herkömmlichen Systemen.

In Kooperation mit der Green Datacenter AG hat ABB Gleichstrom-PTUs in einem Edge-Rechenzentrum im Hamburger Hafen implementiert. Das System unterstützt die Integration regenerativer Energiequellen durch bidirektionale Stromflusskontrolle.

PTUs auf der Basis von Brennstoffzellen

Bloom Energy liefert modulare Powertrain-Technik auf der Basis von Brennstoffzellen. Die Systeme sind hochverfügbar, die Zuverlässigkeit wird mit bis zu sechs Neunen angegeben, skalierbar und reagieren auf Lastschwankungen in Millisekunden. So lassen sich kritische, volatile Rechenzentrums-Workloads aus Brennstoffzellen versorgen. Die PTUs von Bloom Energy können in nur sechs bis neun Monaten hunderte Megawatt an Leistung bereitstellen.

Hersteller wie Rittal bieten mit ihren PDUs und modularen Stromversorgungsangeboten, zum Beispiel verpackt in „Rimatrix S“, zentrale Bausteine für Powertrain-Architekturen an. Rittal-PDUs bieten detaillierte Mess- und Überwachungsfunktionen für Strom, Spannung, Leistung und Energieverbrauch auf Rack- oder sogar Steckdosenebene. Diese Daten können in Echtzeit an zentrale Management-Systeme (z.B. DCIM) für eine präzise Analyse und Optimierung des Energieverbrauchs übermittelt werden.

Infineon entwickelt Battery-Backup-Units (BBU) und Power Conversion Systeme speziell für KI- und Hochleistungsrechenzentren, die sich als Teil einer PTU integrieren lassen. Die „Microblade“-Plattform von Supermicro nutzt die hocheffiziente Leistungsstufen und Battery Backup Power (BBP) von Infineon für eine optimierte, integrierte Stromversorgung und Energie-Effizienz in Rechenzentren.

.... und Siemens

Siemens bietet im Bereich PTUs umfassende, modulare Stromversorgung unter dem Konzept „Totally Integrated Power“ (TIP) an. Diese Technik deckt den kompletten elektrischen Versorgungsweg ab – von der Mittelspannung über Transformatoren, USV-Anlagen, Niederspannungsschaltanlagen, Schienenverteiler, zum Beispiel „Sivacon 8PS“, bis hin zu intelligenten Unterverteilungen und Monitoring-Systemen. Von der Planung über die Realisierung bis zur Wartung bekommt der Kunden von Siemens einen Komplettservice aus einer Hand.

Die Qual der Wahl

Bei der Installation von Powertrain Units haben die Datacenter-Betreiber die Qual der Wahl. Folgende Kriterien sind zu berücksichtigen:

• Last- und Kapazitätsplanung: Die Powertrain Unit muss auf die maximale elektrische Last des Rechenzentrums ausgelegt sein, inklusive Redundanz und zukünftiger Skalierbarkeit.

• Sicherheitsanforderungen: Umfangreiche Schutzmaßnahmen gegen Überlast, Kurzschluss, Überspannung und andere elektrische Störungen gehören mit dazu.

• Redundanz und Ausfallsicherheit: Die Systeme müssen N+1- oder 2N-Redundanz bieten, um einen unterbrechungsfreien Betrieb auch beim Ausfall einzelner Komponenten zu gewährleisten.

• Integration in die Gebäudetechnik: Die PTU muss nahtlos mit bestehenden USV-Anlagen, Notstromgeneratoren, Brandmeldesystemen und der Gebäudekühlung verbunden werden können.

• Monitoring und Steuerung: Moderne Powertrain Units benötigen Schnittstellen für die Überwachung und Fernsteuerung, um die Energieflüsse und Systemzustände in Echtzeit kontrollieren zu können.

• Platzbedarf: Die räumliche Planung muss Wartungs- und Erweiterungsmöglichkeiten berücksichtigen, nicht zuletzt mit Blick auf Servicepersonal.

• Normen und Zertifizierungen: Die Installation muss den relevanten Normen, zum Beispiel DIN EN 50600, insbesondere Teil 2-2, VDE-Normen, EN 50160, und diversen anderen Vorschriften entsprechen.

Die Leistung von Powertrain Units werden typischerweise in Megawatt (MW) angegeben, wenn der Fokus auf der tatsächlich nutzbaren Wirkleistung liegt, oder in Megavoltampere (MVA), wenn die gesamte Scheinleistung (inklusive Blindleistung) Relevanz hat.

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