ABB-Frequenzumrichter verbessern die Energie-Effizienz Effiziente Kühlprozesse in Rechenzentren

Ein Gastbeitrag von Klaus Allgaier*

Einen wesentlichen Einfluss auf die Kosteneffizienz von Rechenzentren hat der Energieverbrauch der Infrastrukturen. Dabei spielen insbesondere die Kühlsysteme eine wichtige Rolle, die für einen Großteil der im Rechenzentrum benötigten Energie verantwortlich sind. Durch den Einsatz von Frequenzumrichtern lassen sich hier bedeutende Einsparpotenziale realisieren.

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Die Ausmaße von IT-Infrastrukturen nehmen in Zukunft stark zu. Mit ihnen steigen auch die Anzahl der Server und Storage-Systeme sowie der Kühlungsbedarf.
Die Ausmaße von IT-Infrastrukturen nehmen in Zukunft stark zu. Mit ihnen steigen auch die Anzahl der Server und Storage-Systeme sowie der Kühlungsbedarf.
(Bild: ABB)

Rechenzentren sind wahre „Energiefresser“. Sie verbrauchen rund ein bis zwei Prozent der weltweit erzeugten Energie. Dabei ist abzusehen, dass deren Strombedarf mit hohem Tempo weiter zunimmt. Laut Schätzungen ist bis zum Jahr 2030 ein Anstieg auf etwa 3.200 Terrawattstunden (TWh) zu erwarten – das ist das Achtfache des heutigen Niveaus.

Einen Löwenanteil hat hierbei die Kühlungsinfrastruktur, die für 40 Prozent der verbrauchten Energie verantwortlich zeichnet. Ohne eine verlässliche Kühlung ist ein reibungsloser Betrieb von IT-Infrastrukturen jedoch nicht denkbar. Dabei steigt der Energiebedarf mit der Größe des zu kühlenden Rechenzentrums deutlich an.

IT-Verantwortliche sind also gefordert, die „Power Usage Effectiveness“ (PUE) von Rechenzentren signifikant zu verbessern. Ein wichtiges Mittel hierfür ist die Implementierung effizienter Kühlprozesse, mit denen sich die Betriebskosten senken und positive Effekte in puncto Nachhaltigkeit erzielen lassen. Das bedeutet insbesondere, die Energie-Effizienz von wichtigen Kühlungskomponenten wie Lüftern, Pumpen und Kompressoren auf eine neue Stufe zu heben.

Oberschwingungen beeinträchtigen Betrieb von Rechenzentren

Eine bedeutende Rolle spielen dabei Frequenzumrichter. Damit lässt sich die Drehzahl von Elektromotoren, die in Kühlsystemen zum Einsatz kommen, flexibel regulieren. Auf diese Weise nehmen die Motoren nur die Energiemenge auf, die für den erforderlichen Durchfluss benötigt wird.

Ein Problem, das den verlässlichen und störungsfreien Betrieb von Rechenzentren beeinträchtigt, sind Oberschwingungen im Stromnetz. Hier kommt den Frequenzumrichtern eine entscheidende Bedeutung zu. Denn diese sind in Kombination mit anderen nicht linearen Lasten wie USV und Energiespeichersystemen für die Entstehung von solchen Oberschwingungen mit verantwortlich.

So kann es zu einer Überhitzung von Anlagen und in der Folge zu Fehlfunktionen und Störungen kommen. Dadurch steigt das Risiko für teure Ausfallzeiten, was die Business Continuity des Unternehmens gefährdet.

Gefahr für den Dauerbetrieb

Zudem erhöhen sich die TCO, da sich die Lebensdauer der Anlagen verringert, die Fehleranfälligkeit zunimmt und Wartungsintervalle verkürzt werden. Überdies können Stromversorger für Oberschwingungen in Stromnetzen Gebühren festsetzen, was die Betriebskosten weiter in die Höhe treibt. Wichtig ist daher, diese Störquellen zu minimieren.

Eine Möglichkeit hierfür besteht darin, Kabel, Sicherungen, Schaltanlagen und Transformatoren höher zu dimensionieren als nötig. So kann eine Überdimensionierung von bis zu 30 Prozent erforderlich werden, was die Investitionskosten deutlich erhöht.

„Ultra-Low Harmonic Drives“ von ABB sorgen für bessere Effizienz durch optimierte Drehzahlregelung im Teillastbetrieb und geringere Netzbelastung.
„Ultra-Low Harmonic Drives“ von ABB sorgen für bessere Effizienz durch optimierte Drehzahlregelung im Teillastbetrieb und geringere Netzbelastung.
(Bild: ABB)

Eine Alternative sind „Ultra-Low Harmonic Drives“ von ABB. Dabei handelt es sich um Frequenzumrichter, welche Oberschwingungen effektiv reduzieren ‒ auch bei Teillasten. Wird diese Technologie mit einer fundierten Systemanalyse kombiniert, benötigen große Pumpen- und Lüftungsaggregate keine weiteren externen Lösungen, um Oberschwingungen im Gesamtsystem zu vermindern. Darüber hinaus lässt sich mit den Frequenzumrichtern die Energie im Rechenzentrum effizienter nutzen, was wiederum zu Kosteneinsparungen beiträgt.

Die Frequenzumrichter von ABB

Zudem sind die Frequenzumrichter von ABB in der Lage, die Verfügbarkeit des Kühl- und Lüftungssystems im Rechenzentrum mittels durchdachter Funktionen zu erhöhen. Beispielsweise wird das Motordrehmoment kontinuierlich überwacht, so dass sich einem Ausfall der Anlage aufgrund eines Lagerschadens effektiv vorbeugen lässt.

Außerdem wird der Pumpendruck stetig kontrolliert und zeitnah ein Alarm ausgelöst, wenn eine Pumpe nicht ordnungsgemäß arbeitet. So lassen sich drohende Störungen bereits im Vorfeld identifizieren und beseitigen, bevor sie einen Schaden verursachen.

Wichtig ist auch ein funktionierendes Brandschutzsystem. Der in die Frequenzumrichter integrierte 'Override Modus' unterstützt das Brandschutzsystem, damit Menschen und Serversysteme im Falle eines Feuers effektiv geschützt sind.

Klaus Allgaier: „Die Kosteneffizienz von Rechenzentren wird in den kommenden Jahren an Bedeutung gewinnen. Da die Ausmaße von IT-Infrastrukturen und somit die Anzahl der Server und Storage-Systeme immer mehr zunehmen, wird auch der Kühlungsbedarf steigen. Einen wertvollen Beitrag zu mehr Energie-Effizienz können speziell für Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen entwickelte Frequenzumrichter leisten. Darüber hinaus erhöhen sie die Verfügbarkeit, Skalierbarkeit und damit die Flexibilität der Anlagen. Im Ergebnis lassen sich dadurch auch bei großen Rechenzentren die Gesamtbetriebskosten nachhaltig senken.“
Klaus Allgaier: „Die Kosteneffizienz von Rechenzentren wird in den kommenden Jahren an Bedeutung gewinnen. Da die Ausmaße von IT-Infrastrukturen und somit die Anzahl der Server und Storage-Systeme immer mehr zunehmen, wird auch der Kühlungsbedarf steigen. Einen wertvollen Beitrag zu mehr Energie-Effizienz können speziell für Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen entwickelte Frequenzumrichter leisten. Darüber hinaus erhöhen sie die Verfügbarkeit, Skalierbarkeit und damit die Flexibilität der Anlagen. Im Ergebnis lassen sich dadurch auch bei großen Rechenzentren die Gesamtbetriebskosten nachhaltig senken.“
(Bild: ABB)

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Und nicht zuletzt verhindert ein Soft-Start des Motors eine mechanische Belastung des Rohrsystems und anderer Komponenten wie Pumpen, Kompressoren oder Lüfter. So lässt sich der Verschleiß auf ein Minimum reduzieren und die Verfügbarkeit des Kühlungssystems entscheidend erhöhen.

In Zukunft ist zu erwarten, dass die Serverdichte in Rechenzentren in hohem Maße zunimmt. Dadurch wird auch die Wärmebelastung massiv steigen. Betreiber von Server-Infrastrukturen sollten daher reagieren und in die Zukunftsfähigkeit der Kühlsysteme investieren. Dies bedeutet auch, die Skalierbarkeit der Systeme an künftige Anforderungen anzupassen.

Hierfür bieten die speziell für HLK-Anlagen (Heizungs-, Lüftungs- und Klima-Anlagen) entwickelten Frequenzumrichter die notwendige Flexibilität, was positive Auswirkungen auf die Systemeffizienz hat. Werden große Pumpen und Kompressoren mit sehr geringer Last betrieben, wird der gesamte Prozess schnell ineffizient. Daher macht es Sinn, mehrere kleinere Einheiten im Aggregat einzusetzen.

Die so genannte Kaskadenregelung der Frequenzumrichter von ABB ermöglicht es, zusätzliche Einheiten je nach Kühlbedarf ein- oder auszuschalten. Dies erhöht die Redundanz und damit die Verfügbarkeit der Systeme: So kann beispielsweise bei Wartungsarbeiten eine stillgelegte Einheit schnell durch eine andere Komponente ersetzt werden, die dann die Kühlung übernimmt.

* Klaus Allgaier ist Market Manager HVAC & WWW bei ABB Motion Deutschland.

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