Spannung aufbauen Gleich(strom) und Gleich(strom) gesellt sich gern

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EPS Rechenzentrum Infrastruktur GmbH

Wer vom Wechselstrom Abstand nimmt, setzt eine „Kettenreaktion“ von Energieeinsparungen in Gang. Die Resultate der höheren Effizienz darf man mit Spannung erwarten.

Die Nachteile der Wechselstromtechnik gegenüber Gleichstrom machen den Datacenter-Betreibern seit jeher zu schaffen. In ihren Bemühungen um eine höhere Energieeffizienz sind viele gewillt, die „Bereitstellung“ von Elektronen an die „Endverbraucher“ im Serverraum zu rationalisieren. Sprich: Auf Gleichstrom umstellen!

In einem konventionellen Wechselstrom-Rechenzentrum in Deutschland wird die Energie in der Regel mit 400V AC (Drehstrom) an die Anlage übersendet; in den USA mit 600V AC oder 480V AC. Anschließend wird diese Energie über Transformatoren heruntergerechnet; in Deutschland typischerweise auf 230V AC (Einzelphase), in den USA wahlweise auf 208V AC oder 110V AC. Erst so „aufbereitet“ fließen die Elektronen an die Racks zur Verteilung an die Server und andere IT-Geräte.

Gleiche und Gleichere

Im letzten Schritt müssen sie noch „umorganisiert“ werden: Der Niedrigspannungswechselstrom wird für eben diese „Endverbraucher“ zu guter Letzt in Gleichstrom transformiert. Als Notstromversorgung dienen bei Stromausfällen und Störungen USV-Geräte und Energiespeichersysteme wie Batterien oder Brennstoffzellen. Diese Lösungen wissen mit Wechselstrom nichts anzufangen; eine Umwandlung in Gleichstrom ist also unumgänglich – sowohl, um Energie zu speichern, als auch, um sie freizusetzen.

Kann man es nicht gleich „richtig machen“? Mittlerweile schon. Die Befürworter des Gleichstrombetriebs haben das schon lange gefordert. Denn die Vorteile sind nicht zu unterschätzen. Inzwischen ist auch die Technik da. Der Gleichstrombetrieb erlaubt nicht nur den Verzicht auf Umwandlungsschritte, der bereits etwas Strom spart. Die größten Effizienzen hängen mit der geringeren Spannung zusammen, denn diese reduziert die Wärmeverluste und damit den Bedarf an aktiver Kühlung.

Gleichstrom-Datacenter beziehen heute Mittelspannungs-Wechselstrom (AC) aus dem Stromnetz. Dieser wird dann mithilfe von Gleichrichtern in Gleichstrom umgewandelt. Der Gleichstrom aus diesen Gleichrichtern gelangt zum Leistungsschalterfeld für die Batterieverteilung (BDCBB), das den Strom direkt oder über Sicherungsalarmfelder an die Server in den Racks schickt.

Grüne Energiequellen und -speicher

Die Befürworter des Gleichstrombetriebs sehen Effizienzvorteile. Regenerative Energiequellen, darunter Photovoltaik und Windkraft, erzeugen Gleichstrom. Zur Einspeisung von Eigenstrom in das Netz ist eine umständliche Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom erforderlich. Energiespeicher für die Notstromversorgung, ob Batterien oder Brennstoffzellen, liefern ebenfalls Gleichstrom.

Bei Stromunterbrechungen oder Störungen werden die geladenen Batterien als Notstromversorgung verwendet. Im Gegensatz zum Gleichstrom ist bei Wechselstrom eine umständliche Umwandlung erforderlich. Bei jedem dieser Umwandlungsschritte von Wechsel- zu Gleichstrom und umgekehrt entstehen Wandlungsverluste und Abwärme.

Beim Wechselstrom müssen Spannungsspitzen zwingend neutralisiert werden und eine stabile Netzfrequenz gewährleistet sein. Mit Wechselstrom betriebene Geräte erzeugen mehr Hitze und brauchen mehr Platz. Die Netzteile müssen direkt an den betreffenden Racks angebracht werden; die ungünstigen Temperatureigenschaften dieser Netzteile erschweren die Kühlung empfindlicher IT-Elektronik; der massive Formfaktor blockiert unnötig die Sperrluftströmung und schränkt die Kühlleistung ein.

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Mehr Datacenter-Effizienz durch Gleichstrom

Beim Einsatz von Gleichstrom lässt sich die entstehende Wärme aus dem Rack einfacher abführen; zudem lässt sich das Netzteil gegebenenfalls sogar aus dem Serverraum auslagern. Im Falle von Gleichstrom ist im Gegensatz zu Wechselstrom keine PFC-Korrektur erforderlich.

Die Kosten der Umstellung von Wechselstrom auf Gleichstrom fallen moderat aus. Beim Einsatz von Gleichstrom steigt die Effizienz der Eigenstromerzeugung; Wechselrichter fallen weg. Die Ausfallsicherheit nimmt zu, denn das Risiko von strombedingten Betriebsstörungen sinkt.

Gleichstrom kann über genau dieselbe Verkabelung eine höhere Leistung als Wechselstrom übertragen. Der Einsatz von Gleichstrom bedeutet den Wegfall von Umwandlungsschritten von AC zu DC und umgekehrt, niedrigere Anschaffungskosten der Ausrüstung, niedrigere Streuverluste im Betrieb und nicht zuletzt eine Reduktion der Abwärme um bis zu 40 Prozent.

OCP und Open19

Gleichstrombetriebene Server-Racks geben deutlich weniger Wärme ab als vergleichbare Server-Racks unter Wechselspannung. Die geringere Wärmeentwicklung schlägt sich in einem Wärmevorteil von mehreren Grad Celsius nieder – möglicherweise genug, um auf ausgefuchste Kühlsysteme wie Wasserkühlung, Warm- und Kaltluftgänge oder den einen oder anderen Lüfter zu verzichten.

Durch die Umstellung von Wechselstrom (AC) auf Gleichstrom (DC) konnten Unternehmen wie die Alliance Trading EMEA GmbH in Zusammenarbeit mit der IPronec GmbH eine Reduktion der Energiekosten in Höhe von bis zu 30 Prozent erzielen. Zudem sind Gleichstromnetzteile wesentlich platzsparender gegenüber jenen für Wechselstrom.

Sowohl OCP (Open Compute Project) als auch Open19 (seit 2021 ein Projekt der Linux Foundation), die beiden quelloffenen Initiativen für die Standardisierung von Hardware-Designs für Rechenzentren, unterstützen den Gleichstrombetrieb von Hardware. OCP bevorzugt 48V DC Gleichstrom in seinen Designs. Dies hängt mit den Vorteilen dieser Spannung bei der Übertragung über längere Strecken zusammen. OCP hat in dem „OpenRack“ eine spezielle Stromverteilung vorgesehen. Sie lässt sich sowohl mit Wechsel- als auch mit Gleichstrom betreiben, wobei Letzteres Energie-Effizienzvorteile bringt.

Der Artikel ist dem redaktionellen eBook „Grüner gehts nicht. Oder doch? Datacenter unter Druck“ entnommen, das DataCenter-Insider kostenlos zum Download bereitstellt.

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Die Datacenter-Branche zählt in puncto Nachhaltigkeit klar zur Avantgarde: turbodigitalisiert, fieberhaft datengetrieben, eifrig bemüht zu innovieren. Alles „im grünen Bereich“ also? Wohl kaum.

Der EnEfG-Entwurf enthält neben neuen Vorgaben hinsichtlich der Energieauditpflicht erstmals Anforderungen an die Energieeffizienz von Rechenzentren. Der Entwurf sieht vor, dass Rechenzentren ab Januar 2024 ihren Energiebedarf zu 50 Prozent mit ungefördertem Strom aus erneuerbaren Energien decken müssen. Ab Januar 2025 sind sie zu 100 Prozent auf EE-Betrieb verpflichtet.

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Das OCP-Rack von Rittal beliefert Server mit einer Spannung von wahlweise 12V oder 48V Gleichstrom. Die Versorgung erfolgt über rückseitig montierte Stromschienen. Je nach Rack-Konfiguration sind Leistungen von 6,6 kW, 13,2 kW bis hinauf zu 40 kW möglich.

Spezielle OCP-Netzteile in den Racks konvertieren den vorhandenen 3-phasigen Wechselstrom in Gleichstrom. Zur Überbrückung von Stromausfällen lassen sich optional sogenannte „Battery Backup Units“ in das OCP-Rack verbauen; das erkauft den Servern im Notfall einige zusätzliche Minuten Betriebszeit.

Open19 hat aus Kompatibilitätsgründen für beide Ansätze etwas übrig, sowohl Gleich- als auch Wechselstrom (Stichwort: Smart-Voltage). Die modulare Bauweise der Racks, basierend auf dem sogenannten Open19 Brick, soll die Flexibilität maximieren. Der Datacenter- Ausrüster Rittal unterstützt im Übrigen auch Open19, sowohl im Core als auch an der Edge.

In Siebenmeilenstiefeln zu einem Microgrid

Energie-Effizienz und Versorgungssicherheit gehen in der Datacenter-Branche Hand in Hand. Um die autarke Steuerung des Energiehaushalts zu ermöglichen, setzen immer mehr Betreiber auf die so genannten Microgrids.

Ein Microgrid bringt das Versorgungsnetz, erneuerbare Energiequellen (Solar, Wind und andere) und Energiespeicher wie Batterien oder Brennstoffzellen unter einen Hut – frei nach dem Motto, „Gleich(strom) und Gleich(strom) gesellt sich gern“. Ein Microgrid bietet eine Isolation von Störungen der primären Netzversorgung und soll bei Pannen und in sonstigen Krisenzeiten den reibungslosen IT-Betrieb über längere Zeitintervalle aufrechterhalten.

Die autarke Steuerung und Verwaltung der Energieerzeugung und des Verbrauchs in einem Microgrid bedarf entsprechender Kontrollsysteme und ausgefuchster Steuerungssoftware. Mit Omnivise Hybrid Control bietet Siemens eine solche Rundumglücklich-Lösung. Es ist ein so genanntes SiCAM (kurz für: Kontrollsystem für die Steuerung und Automatisierung von Microgrids).

Ein Aus für Diesel als Notlösung

Der Großteil der Notstromversorgung von Rechenzentren wird heute mit Dieselgeneratoren betrieben. Dieselgeneratoren müssen regelmäßig im Leerlauf anlaufen, um die Betriebsbereitschaft aufrechtzuerhalten. Der Spruch „Geld verbrennen“ bekommt damit seine volle Bedeutung. Batterien der einen oder anderen Art haben sich bisher nur stellenweise durchsetzen können. Zum einen haben sie eine begrenzte Lebensdauer. Zum anderen sind sie unflexibel. Die Herstellung und Entsorgung von Batterien geht zudem mit einer erheblichen Umweltbelastung einher.

Als der wichtigste Hoffnungsträger für energieeffiziente Resilienz gilt die Diesel-Alternative Wasserstoff. Die Integration von Wasserstoffbrennstoffzellen in ein Microgrid kann helfen, die Energiekosten in zu senken, glaubt Don Ayers, Vizepräsident für Technologie bei Capstone Green Energy. Die Microgrid-Technologie unter Einbeziehung von Wasserstoff als Energiespeicher würde die Einrichtung „kombinierter Kühl-, Wärme- und Stromsysteme“ ermöglichen. So ließe sich die betriebskritische Kühlleistung kostengünstig bereitstellen und in einem geschlossenen Energiekreislauf zirkulieren lassen – unabhängig vom Netzversorger.

In einem Rechenzentrum in Salt Lake City im U.S.-Bundesstaat Utah konnte Microsoft im Rahmen einer Technologiestudie die Notstromversorgung mit einem drei Megawatt starken Wasserstoff-Brennstoffzellensystem sicherstellen. „Wir haben einen Generator, der keine Emissionen erzeugt“, freute sich Sean James, Leiter der Rechenzentrumsforschung bei Microsoft, in einer feierlichen Ankündigung, und bezeichnete den Durchbruch als „atemberaubend“. Microsoft will die Technologie vor einer breiteren Einführung noch weiter erforschen. Microsofts Pionierleistung wollen andere nachahmen. In den Niederlanden hat NorthC eine 500-Kilowatt-Wasserstoffzelle installiert, um das Notstromaggregat seines Rechenzentrums in Groningen zu betreiben.

Wasserstoff kommt

Wasserstoffzellen benötigen weniger Platz als Batterien und haben im Vergleich zu Batterien oder Diesel einen wesentlich geringeren ökologischen Fußabdruck. Sie können Energie aus verschiedenen Quellen, einschließlich erneuerbarer Energien, erfassen und unterstützen im Gegensatz zu Diesel die lokale Energieerzeugung vor Ort.

Die lokale Wasserstofferzeugung könne „die Zuverlässigkeit und Belastbarkeit der Energieversorgung eines Rechenzentrums“ erheblich verbessern, glaubt Don Ayers, Vizepräsident für Technologie bei Capstone Green Energy. Sie könne in Zeiten eines langanhaltenden Notstrombetriebs die Notwendigkeit für den Transport von Kraftstoff eliminieren und die Kosten senken. Dadurch können Wasserstoffzellen nicht „nur“ die Energieunabhängigkeit und Nachhaltigkeit, sondern auch die Effizienz des Energiehaushalts eines Rechenzentrums erhöhen.

Wasserstoffzellen trumpfen mit einem höheren Wirkungsgrad als Batterien, da sie mehr Energie pro Gewichtseinheit speichern und abgeben können. Dies kann zu einer effizienteren Energienutzung im Rechenzentrum und zu einer geringeren Wärmeentwicklung führen.

Alles noch Zukunftsmusik? Wohl kaum. Der Geschäftsbereich Power Systems von Rolls-Royce, einer Tochtergesellschaft von BMW, hat auf Basis der Wasserstoffbrennstoffzellen von Cellcentric, einem Gemeinschaftsunternehmen der Daimler Truck AG und der Volvo Group AB, skalierbare Energiespeicher-Komplettsysteme für die saubere Notstromversorgung von Rechenzentren entwickelt. Die ersten Pilotanlagen bei Kunden werden im Jahr 2023 installiert. Die kommerzielle Markteinführung der Seriensysteme ist für das Jahr 2025 vorgesehen.

Energiesparbüchse Wasserstoff

Die in Wasserstoffbrennstoffzellen gespeicherte Energie ist nicht automatisch „grün“, nur weil sie vor Ort emissionsfrei freigesetzt wird. Denn Wasserstoff ist bloß ein Energieträger, mehr nicht. Es kommt darauf an, woraus der Wasserstoff jetzt genau erzeugt wird, nicht wie er verbrennt. Denn er verbrennt unter Zugabe von Sauerstoff aus der Luft sauber zu reinem Wasser. Die Erzeugung von Wasserstoff macht die Musik.

Wasserstoff entsteht in einem von zwei Verfahren: entweder durch die Elektrolyse von Wasser unter Zufuhr von Energie oder durch das „Aufsplitten“ anderer wasserstoffhaltiger Verbindungen wie Kohle oder Biomasse mit chemischer Energie. Die verschiedenen Verfahren haben sehr unterschiedliche Auswirkungen auf die Umwelt und so ist der Wasserstoff nicht automatisch „grün“. In Sachen Wasserstoff geht es manchmal noch ein gutes Stück „grüner“ als man denkt. Wie sauber Wasserstoff tatsächlich ist, steht und fällt mit der Energiequelle, aus der er erzeugt wurde. Es hat sich ein Farbcode-System etabliert, der die Orientierung erleichtern soll.

„Grüner“ Wasserstoff entsteht mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen. Diese reichen jedoch nicht aus, um den Bedarf zu decken. Daher fördert das Bundesforschungsministerium seit 2021 mehrere Wasserstoff-Leitprojekte für grünen Wasserstoff im Rahmen der Nationalen Wasserstoffstrategie.

„Blauer“ Wasserstoff entsteht aus fossilen Brennstoffen, hauptsächlich Erdgas, durch die sogenannte Dampfreformierung. Der Hauptunterschied zu grauem Wasserstoff besteht darin, dass die dabei entstehenden CO2-Emissionen durch CCS-Technologien (Carbon Capture and Storage) abgefangen und gespeichert werden.

„Grauer“ Wasserstoff wird mittels der sogenannten Dampfreformierung typischerweise aus fossilem Erdgas (oder Biogas, Biomasse usw.) in einem zweistufigen Verfahren hergestellt. Wird dabei Kohlendioxid im Erdboden eingefangen, ist vom „blauen“ Wasserstoff die Rede. (Kohlendioxid ließe sich auch in Biomasse einfangen – durch Wiederaufforstung. Wäre es dann nicht noch etwas grüner? Die „CO2-Aufbewahrung“ im Erdboden oder Beton wirkt dem Verlust von Lebensräumen wohl kaum entgegen und tut nichts zum Erhalt von Wasserressourcen in Wald-Ökosystemen. Oder gar Sauerstoff.)

„Türkiser“ Wasserstoff entsteht durch die thermische Spaltung von Methan, die sogenannte Methanpyrolyse. (Offenbar gibt es also doch noch Hoffnung auf Methansequestrierung aus der Agrarwirtschaft, also dürfen die Kühe jetzt doch weitergrasen?) Bei diesem Verfahren entsteht anstelle von CO2 fester Kohlenstoff.

Dann gibt es unter anderem noch die Möglichkeit, strombasierten Wasserstoff mit Atomkraft zu erzeugen, rein theoretisch. Dieses Verfahren erhielt den Farbcode „violett“. Die Begeisterung für dieses Verfahren hält sich in argen Grenzen. Angesichts des irreversiblen Charakters der Abfallprodukte stellt sich die Frage, wer für diese permanente Belastung geradestehen soll. Zum Glück ist das bisher eine theoretische Diskussion.

Suresh Pichai, Direktor für Innovation & Development bei Equinix, hält nur grünen Wasserstoff aus erneuerbaren Energien und blauen Wasserstoff aus Erdgas mit Kohlenstoffabscheidung für „saubere Alternativen zu Diesel“.

Erdgas, Biogas und Biomasse

Ein kürzlich von Microsoft modernisiertes Rechenzentrum im kalifornischen San Jose nutzt erneuerbares Erdgas (engl. Renewable Natural Gas, kurz RNG) anstelle von Dieselkraftstoff für die Notstromgeneratoren von Enchanted Rock. Es ist das größte Microgrid im Bundesstaat, welches vollständig mit Erdgas aus Abfällen der Landwirtschaft und der Lebensmittelversorgungskette statt mit fossilen Brennstoffen betrieben werden soll.

Die Lösung von Enchanted Rock Electric, die Microsoft für sich entdeckt hat, stützt sich auf die proprietäre Software GraniteEcosystem des texanischen Anbieters. Als Bezugsquellen für erneuerbaren Erdgas sollen Mülldeponien, Viehzuchtbetriebe, Abwasseraufbereitungsanlagen und organische Industrieabfälle herhalten. Das so erzeugte Biogas soll Rohrleitungsqualität aufweisen und sich mit herkömmlichem Erdgas austauschen lassen.

Fazit

Der Gleichstrombetrieb erleichtert die Nutzung erneuerbarer Energien aus Eigenstromerzeugung und reduziert insbesondere Wärmeverluste. Eine Umstellung kann helfen, den steigenden Strompreisen Einhalt zu gebieten.

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