800 VDC ist die neue Basis für Hyperscale-KI-Fabriken Gleichstrom bei minus 200 Grad im Rechenzentrum

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Angesichts der wirtschaftlichen Vorteile und des Trends zu immer höheren Leistungsdichten stellt sich die Frage eigentlich nicht mehr, ob zukünftig Supraleiter eingesetzt werden. Die Technik ist reif für den Markt. Doch vielleicht ist die Überlegung für den ein oder anderen noch ungewohnt?

Standard-Racks mit 5 bis 20 Kilowatt (kW) über Niederspannungs-Wechselstrom zu versorgen ist heute unkompliziert und weit verbreitet. Hyperscaler planen jedoch zunehmend mit deutlich höheren Leistungsdichten und entwickeln Racks im Bereich von 200 kW bis hin zu 1 Megawatt (MW).

Die Bereitstellung von 1 MW Leistung auf Niederspannungsebene wird dabei unpraktisch und technisch wenig sinnvoll. Die Kabelquerschnitte werden zu groß, die Systeme zu schwer und die Infrastruktur zu kostspielig.

Eine Gleichstromverteilung kann hier Abhilfe schaffen. Es werden weniger Leiter verwendet die zudem geringere Widerstände aufweisen. Darüber hinaus verwendet IT-Hardware letztendlich Gleichstrom, was eine Gleichrichtung überflüssig macht.

Gleichstrom für Datacenter - ein alter und akueller Hut

Das Konzept von Gleichstrom-basierten Rechenzentren stammt aus den frühen 2000er Jahren und es wurden bereits mehrere gebaut, jedoch nicht für Leistungen im MW-Bereich. Es fehlte jedoch bisher an wesentlichen Komponenten um gleichstrombasierte System wettbewerbsfähig am Markt zu etablieren. Außerdem erlaubte der geforderte Leistungsbereich eine einfache Umsetzung in klassischer Wechselstromtechnologie.

Wie zuvor beschrieben, ändern sich die Leistungsanforderungen aber gerade massiv. Außerdem kommen neue elektrotechnische Produkte auf den Markt, welche das Schalten von hohen geleichstromgeführten Leistungen ermöglichen und die notwendige Sicherheit gewährleisten, so dass die technischen und umweltspezifischen Vorteile immer stärker in den Vordergrund rücken.

Folgerichtig wird derzeit eine 800 Volt (v) Gleichstrom Architektur untersucht, die entweder mit 800 V oder ±400 V betrieben wird. Die höhere Spannung reduziert den erforderlichen Strom, und Gleichstromsysteme weisen aufgrund des fehlenden Skineffekts einen geringeren Widerstand auf als Wechselstromsysteme.

Die Supraleiter kommen

Das 800-V-Rack löst das Problem, wie die Stromversorgung zum Rack gelangt, aber die Auslegung des Verteilungssystems bleibt unklar. Hier kommen Supraleiter ins Spiel.

Supraleiter besitzen keinen elektrischen Gleichstromwiderstand. Der Strom, der durch sie fließen kann, hängt von der Betriebstemperatur und dem Magnetfeld ab, in dem sie sich befinden.

Aufgrund des fehlenden elektrischen Widerstands und der Fähigkeit, extrem hohe Stromdichten zu transportieren, machen es Supraleiter möglich, Megawatt an Leistung bei niedriger Spannung zu übertragen. 10 MW bei 800 V würden einen Betriebsstrom von etwa 12,5 kilo-Ampere (kA) erfordern, ein geringer Strom für Supraleiter.

Bislang wurden Niedertemperatur-Supraleiter (LTS) häufig in MRT-Systemen, Teilchenbeschleunigern und Fusionsreaktoren als Hochfeldmagnete eingesetzt. Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) ersetzen nun LTS.

HTS können mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden. Das macht sie wesentlich wirtschaftlicher, da flüssiger Stickstoff weit billiger ist als Helium.

Platz- und Effizienzsteigerung mit Hochtemperatur-Supraleitern – „The Missing Link“

Mit zunehmender Verbreitung beginnen sie auch, herkömmliche Kupfer- und Aluminiumleiter zu ersetzen. HTS-Kabel wurden bereits weltweit in elektrischen Netzen eingesetzt, zuletzt in München im „Supralink“-Projekt. Im „Suprai“-Projekt wird eine 600 Meter (m) lange, 200 kA Stromschiene in einem Aluminiumwerk installiert.

Supraleiter erweitern die Vorteile der 800 VDC Rack-Architektur bis hin zur Stromverteilung im Rechenzentrum. Kleinere, effiziente Leiter vereinfachen die elektrische Infrastruktur. Eine Mittelspannungsverteilung wird nicht benötigt und durch Edelstahlrohre - Kryostate, 200 mm Durchmesser - ersetzt, die thermisch isoliert sind und eine Flüssigstickstoffzirkulation enthalten. Diese hält die Leiter auf einer Betriebstemperatur von etwa -200 Grad.

Durch die Verringerung des Gewichts und der Größe der Stromverteilung werden auch die Betriebskosten gesenkt: 90 Prozent der elektrischen Verluste werden bei Volllast eingespart. Das Handling und die Erfüllung auch kritischer Sicherheitsanforderungen an derartige Flüssigstickstoff Systeme ist „State of the Art“ und vielseitig industriell erprobt und nachgewiesen.

Abbildung 2 Links: Übersicht des HTS-Systems bis in hin Whitespace. Rechts: Flächenbedarf eines 50 MW HTS Systems im Vergleich zu einem äquivalenten 50 MW Kupfersystem.

Mit einem HTS-Leiter lassen sich die elektrischen Verluste vollständig eliminieren. Stattdessen muss nur die in das System eindringende Wärme gekühlt werden, etwa 1 bis 2 Watt pro Meter (W/m), sowie die Kühlung für den Stromanschluss und die Sidecar-Anschlüsse, insgesamt etwa 100 W/kA für beide.

Darüber hinaus ermöglichen supraleitende AC-Kabel, planungs- und genehmigungsaufwendige Hochspannungsverbindungen zu umgehen, indem die gleiche Leistung auf Mittelspannungsebene übertragen wird. Abbildung 4 zeigt acht Paare von HTS-Leitern in einem Kryostaten.

Jeder Leiter kann bis 12,5 kA führen. Das ist genug um einen POD mit 10 MW oder 20 Racks mit 500 kW zu versorgen.

Die Supraleitung im Rechenzentrum

Das innere und äußere Edelstahlrohr bildet den Kryostaten. Zwischen den beiden Rohren wird ein Vakuum erzeugt, um die Wärmeübertragung zu begrenzen. Im Inneren des inneren Rohrs zirkuliert flüssiger Stickstoff mit einer Temperatur von 68 bis 77 K (-205 bis -196 °C). Er absorbiert die von außen in das System eintretende Wärme.

An dem Übergang zwischen Normal- und Supraleitung sind Stromzuführungen zu finden. Diese Abschlüsse kühlen die Leiter und stellen die elektrische und mechanische Verbindung zum Rest der Strominfrastruktur her. Das supraleitende System, sowie der gesamte Powertrain der 800 VDC-Verteilung, wird zurzeit angefordert und befindet sich bereits im fortgeschrittenen Stadium in der Entwicklung.

Vision Electric Super Conductors aus Kaiserslautern arbeitet aktiv an der Entwicklung der erforderlichen Stromzuführungen, Stromschienen und Sidecar-Terminierungen. Dank Industrieverbänden wie IV-Supra, Current/OS und der Open DC Alliance (ODCA) werden Gleichstromanwendungen mit einem hohen Grad an Zusammenarbeit entwickelt.

IV Supra lädt ein

Im Interessenverband Supraleitung (IV Supra) sind eine Vielzahl meist mittelständischer, deutscher Unternehmen zusammengeschlossen, die eine führende Rolle bei der Entwicklung und Vermarktung der Supraleitertechnologie spielen. Seit 20 Jahren informiert die „Ziehl“-Tagung des Verbands über die Supraleitertechnik

Nach den Forschungsergebnissen der ersten Jahre wurden weltweite Erfolge „Made in Germany“ vorgestellt: Der erste Strombegrenzer in einem Kraftwerk, die erste Industrie-Anlage im Regelbetrieb, das längste Supraleiterkabel, die erste modulare Stromschiene… um nur einige zu nennen.

Für Experten aus Energiewirtschaft, Industrie, Politik und Finanzwirtschaft, die sich über den aktuellen Stand der Supraleitertechnologie informieren wollen, sowie für Fachjournalisten sind die Ziehl-Tagungen alle zwei Jahre das zentrale Ereignis in Deutschland. Hier treffen Sie Fachleute aus der Supraleiter-Drahtproduktion, Hersteller von netztechnischen Anlagen und Kabeln, Motoren, Generatoren und Magnetlagern sowie Spezialisten im Bereich der Kühltechnik.

Die nächste Ziehl-Tagung findet am 1. und 17. April dieses Jahres in der Berlin-Brandenburgische Akademie der Wissenschaften, Jägerstraße 22/23, statt.

Das Open Compute Project treibt die Entwicklung von 800 V Systemkomponenten und -Standards ebenfalls voran. Noch im März wird ein Whitepaper hierzu veröffentlicht. Erste Projekte werden voraussichtlich 2026 beauftragt werden.

Enorme Energie-Einsparungen möglich

Das supraleitende System ist zwar komplexer als sein kupferbasiertes Pendant. Doch dies wird jedoch durch niedrigere Betriebskosten, höhere Effizienz und deutlich platzsparendere Leiter ausgeglichen.

Für die Rechenzentrumsbranche sind die potenziellen Energieeinsparungen beträchtlich: Selbst eine Reduzierung der installierten Leistung um 15 Prozent würde weltweit zu Einsparungen im Gigawattbereich führen. Damit verbunden sind die entsprechende Reduzierung der CO₂e (CO₂-Äquivalent) Emissionen und die Vermeidung von Kosten durch CO_{2-Zertifikate.}

Alles deutet darauf hin, dass HTS der Leiter der Wahl sein wird. HTS-Bänder werden immer kostengünstiger, während sich ihre Leistung und Strombelastbarkeit verbessern. Im Gegensatz dazu sind die Kupferpreise stetig gestiegen und werden voraussichtlich weiter steigen, da die weltweite Nachfrage nach elektrischer Infrastruktur wächst.

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