Datacenter-Dekarbonisierung Durchgerechnet: Neue Formen der Notstromversorgung für Rechenzentren

Autor / Redakteur: lic.rer.publ. Ariane Rüdiger / Ulrike Ostler

Rechenzentrumsbetreiber müssen bei der Notstromversorgung über neue Technologien nachdenken. Nur so ist das Ziel, klimaneutral zu werden, optimal erreichbar.

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Hitachi Energy kalkuliert beispielhaft Kosten und Ergräge diverser Notstromversorgungskonzepte.
Hitachi Energy kalkuliert beispielhaft Kosten und Ergräge diverser Notstromversorgungskonzepte.
(Bild: DCD)

Rechenzentren tragen zwar nur etwa so viel zum Kohlendioxid-Ausstoß der Welt bei wie aktuell der Luftverkehr. Doch ihr Anteil wächst aufgrund der umfassenden Digitalisierung zumindest in den industrialisierten Ländern ungebremst. In manchen Regionen, beispielsweise Frankfurt, verbrauchen Rechenzentren mehr als 20 Prozent der verfügbaren elektrischen Energie.

Dagegen hilft nur der Einsatz neuer Technologien, will man nicht auf Rechenleistung verzichten.Im Fokus steht dabei insbesondere die Notstromversorgung. Ist sie es doch, die Unternehmen meist zwingt, weiterhin Dieselgeneratoren vorzuhalten und regelmäßig testhalber laufen zu lassen.

Im Ernstfall sollen die Aggregate je nach Sicherheitslevel der Anlage über einen gewissen Zeitraum das Stromnetz ersetzen können. Je länger der ist, desto mehr Ressourcen sind vorzuhalten.

Ziel: Bis 2030 klimaneutral

Die EUDCA (European Datacenter Association) plant als Beitrag zum European Green Deal im Rahmen ihres Climate Neutral Data Centre Pact, Rechenzentren bis 2030 Kohlenstoff-neutral zu machen. Die PUE von Rechenzentren soll danach etwa in warmen Klimata maximal 1,4, in kalten maximal 1,3 betragen, sobald ein Rechenzentrum eine größere Last schultert als 50 Kilowatt (kW).

So viel erneuerbaren Strom verwenden große Hyperscaler.
So viel erneuerbaren Strom verwenden große Hyperscaler.
(Bild: Hitachi Energy/IEA)

Für Rechenzentren bieten sich als mögliche Lösungen der Aufbau von Microgrids, Nachfrage-Management, der Einkauf oder das Angebot von Netzdienstleistungen, Batteriespeicher oder Wasserstoff-Brennstoffzellen als langfristige Netzersatzlösung an, die Dieselgeneratoren irgendwann ablösen könnte.

Gleichstrom im Rechenzentrum?

„Die meisten Lösungen basieren auf Gleichstrom, also liegt es nahe, auch das Rechenzentrum mit Gleichstrom zu versorgen“, sagt Marcus Giese, Lösungs- und Innovationsmanager Datacenter bei Hitachi ABB Power Grids, das kürzlich in Hitachi Energy umfirmierte.

Hitachi Energy ermittelte in Kooperation mit einem Kunden, welche Vor- und Nachteile die Realisierung der Notstromversorgung entweder mit dem von Hitachi Energy angebotenen Batteriestorage-System „E-Mesh“ oder aber mit Wasserstoff-basierenden Brennstoffzellen auszurüsten.

„Es ist unmöglich, eine Lösung zu entwerfen, die für alle Rechenzentren passt. Denn man muss alle Aspekte der jeweiligen Situation betrachten“, betonte Giese in seinem Vortrag anlässlich des diesjährigen Datacenter Day von datacenter-insider.de. Unter dem Strich müsse sich die Lösung rechnen. Dazu sei auch nötig, dass in der jeweiligen Region die jeweils bevorzugte Technologie überhaupt ausreichend reif ist.

Detaillierte Kostenkalkulation

In einem vom Vortrag unabhängigen Whitepaper vergleicht Hitachi Energy für zwei Rechenzentren mit 2 und 30 MW Kapazität bei 5 kW pro Quadratmeter Leistungsdichte unterschiedliche Backup-Lösungen. Dabei ging das Unternehmen von einer Überbrückungszeit von 100 Stunden aus.

Verglichen wurden Brennstoffzellen, Diesel und Batteriespeicher, jeweils mit einer UPS, sowie diverse Kombinationen dieser Technologien. Zudem wurde überlegt, wie viel PV nötig wäre, um Batterien mit der nötigen Energie zu versorgen.

Teure Brennstoffzellen

Dabei kalkuliert die Studie mit einem Dieselpreis von 1,25 Euro pro Liter und Wasserstoffkosten von 6 Euro pro Kilogramm. Der durchschnittliche Dieselpreis lag in Deutschland im Oktober des laufenden Jahres laut dem Statistischen Bundesamt bei 1,53 Euro. Selbst wenn man davon ausgeht, dass dieser Preis sich bei einer Bestellung von großen Mengen Diesel etwas verringert, erscheinen 1,25 Euro pro Liter auch angesichts der Debatte um einen steigenden Kohlendioxid-Preis jedenfalls nicht teuer.

Beim Batterie-Storage werden kostenseitig die Kapitalkosten der Installation und variable Betriebskosten veranschlagt, bei PV lediglich Kapitalkosten. Sie liegen bei Diesel bei 1.150 €/kW, bei PV betragen sie 1.650 €/kW, bei Batterie-Storage 400 €/kWh Kapazität und bei Brennstoffzellen teure 7.000 €/kW.

PV allein: zu flächenintensiv

Die Berechnungen zeigen, dass eine direkte Notstromversorgung mit PV meist am Flächenbedarf scheitern dürfte – üblicherweise reichen die Dachflächen von Rechenzentren nicht aus, und gerade in dicht besiedelten Regionen dürfte in der Nähe kaum ausreichend Fläche bereitstehen.

Für die genannte Überbrückungszeit des 2-MW-Rechenzentrums würde man laut Hitachi Energy rund 93.000 Quadratmeter Solarzellen benötigen, um den Strom für ein entsprechendes Batteriesystem zu erzeugen - bei 30 MW entsprechend mehr.

Viele Ressourcen im Rechenzentrum arbeiten heute schon mit Gleichstrom, zu dem eine PV-basierte Gleichstromversorgung gut passen würde.
Viele Ressourcen im Rechenzentrum arbeiten heute schon mit Gleichstrom, zu dem eine PV-basierte Gleichstromversorgung gut passen würde.
(Bild: Hitachi Energy)

Kombiniert man Diesel, ein Batteriesystem, eine UPS und PV, können sich bei der Energie-Erzeugung der Dieselgenerator und die PV wechselseitig ersetzen: Je mehr Fläche mit PV belegt werden kann, desto kleiner kann das Dieselaggregat ausfallen und umgekehrt.

Keinen Diesel und gleichzeitig relativ wenig PV erlaubt in dieser Modellierung nur die Kombination von PV, BESS, Wasserstoff-Brennstoffzellen und einer UPS. Doch diese ist von allen geprüften Varianten die teuerste: Die Netto-Gesamtbetriebskosten (Net-TCO) belaufen sich für ein 2-MW-Rechenzentrum in Südeuropa (also mit hoher Sonneneinstrahlung) auf 15,68 Millionen Euro.

PV, Batteriesystem und UPS erwirtschaften gemeinsam Gewinn

Als günstigstes der betrachteten Szenarien stellt sich die Kombination von PV, Batteriesystem und UPS heraus. Hier steht am Ende sogar ein von der Notstromversorgung erwirtschafteter Gewinn von 5,22 Millionen Euro.

Der Grund sind die Gewinne, die das Rechenzentrum durch die Bereitstellung von Netzdienstleistungen erwirtschaften kann. Allerdings spricht, wie schon oben angedeutet, der Flächenbedarf gegen diese Strategie.

Als zweitgünstigste Lösung in diesem Fall errechnet Hitachi Energy die Kombination von PV, Batterie-Storage, einem kleineren Dieselaggregat als üblich und einer UPS. Die Notstromversorgung kostet hier über die gesamte Lebensdauer der Anlage nur 910.000 Euro.

Allerdings liegt der PV-Flächenbedarf noch immer bei 60.700 Quadratmetern, um die hier nötigen 8500 kWp zu erzeugen. Dazu kommen 30 MW Batteriespeicher. Den Kosten für die gesamte Backup-Anlage von 28,07 Millionen Euro stehen Gewinne von 27,16 Millionen Euro gegenüber. Sie werden über die Lebensdauer der Anlage durch PV-Strom und Batteriespeicher als Basis von Netzdienstleistungen erwirtschaftet.

Diesel wird unwirtschaftlich - aber erst später

Verglichen mit dieser Lösung, werden Gesamtlösungen mit mehr Diesel und weniger PV/Batteriespeicher um ein Mehrfaches teurer. Allerdings ist eine reine Diesesl-UPS-Kombination mit 4,58 Millionen Euro über die Lebensdauer immer noch billiger als die Kombination von 800 kWp (8500 qm) PV mit 1 MWh Batteriespeicher und entsprechend größerem Dieselaggregat. Sie kostet 4,9 Millionen Euro.

Zögern und Zaudern sind Tabus

Kompendium: „Nachhaltigkeit im Rechenzentrum"

Nachhaltigkeit im Rechenzentrum
Nachhaltigkeit im Rechenzentrum

Datacenter müssen effizienter werden, nachhaltiger wirtschaften, in eine sektorübergreifende Kreislaufwirtschaft eingebunden werden. Für kann oder könnte, soll oder sollte, darf oder dürfte ist kein Platz im Sprachgebrauch, wenn es darum geht, die Umwelt zu entlasten.

Zögern, Zaudern, Zaghaftigkeit sind Tabus.

Es muss sein, jetzt, und es wird wehtun.
(PDF | ET 21.09.2021)

Lesen Sie im Kompendium unter anderem:

  • ... wie die Europäische DC-Branche die Vorreiter-Rolle anstrebt.
  • ... wie wir von anderen Branchen lernen können.
  • ... wie Rechenzentren nachhaltig und klimaneutral werden können.


    >>> Kompendium: „Nachhaltigkeit im Rechenzentrum“ zum Download
  • Betrachtet man die Resultate dieser Untersuchung, scheint es wahrscheinlich, dass der Abschied vom Dieselaggregat sich in deutschen Rechenzentren eine Weile hinzieht. Etwas anderes könnte nur gelten, falls der Kohlendioxid-Preis drastisch angehoben würde oder andere Faktoren fossile Energie verteuerten.

    Das kann jederzeit passieren. Und dann würden auch die obigen Berechnungen ganz anders ausfallen.

    Zudem besteht die Möglichkeit, dass die Kosten für PV-Strom sich durch die Reduzierung von Steuer- und Abgabelasten oder weitere Effizienzgewinne verringern. Kurz: Was jeweils am günstigsten und am besten machbar ist, bleibt eine individuelle und zeitabhängige Berechnung.

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