Ein neuer, altbkannter Weg der Stromversorgung Mehr Datacenter-Effizienz durch Gleichstrom

Wechselstrom versorgt das Rechenzentrum. Doch viele Endgeräte dort verwenden Gleichstrom. Ariane Rüdiger hat im Auftrag von DataCenter-Insider mit Karl Kimmig, Leiter Segment Data Center Deutschland bei ABB, und Sebastian Behr, Vertriebsspezialist Datacenter bei ABB, über einen denkbaren Übergang zur Gleichstrom-Versorgung von Rechenzentren gesprochen.

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Die elektrische Schaltzentrale eines Rechenzentrums ist heute auf Wechselstromversorgung ausgerichtet.
Die elektrische Schaltzentrale eines Rechenzentrums ist heute auf Wechselstromversorgung ausgerichtet.
(Bild: ABB)

Wie kommt es, dass wir heute mit Wechselstrom ins Rechenzentrum hineingehen und erst im Endgerät zu Gleichstrom wandeln?

Karl Kimmig: Das hat historische Gründe. Ob wir Gleich- oder Wechselstrom nutzen, wurde eigentlich schon vor zirka 130 Jahren entschieden, zwischen Nicola Tesla, der mit Westinghouse zusammenarbeitete, und Thomas Edison. Letzterer setzte auf Gleichstrom. Wechselstrom hat sich dann auf Grund technischer Vorteile durchgesetzt und es ist die heute bekannte komplette Elektrizitäts-Infrastruktur um diese Entscheidung herum entstanden.

Was waren die Entscheidungsgründe?

Sebastian Behr: Wechselstrom kann im Nulldurchgang leichter abgeschaltet werden, da zu diesem Zeitpunkt nicht die volle Leistung am Schaltgerät anliegt. Hohe Leistung und Spannung gehen bei Wechselstrom mit einem niedrigen Stromfluss zusammen, das funktioniert bei Gleichstrom nicht.

Wandlungen verschlingen Energie

Allerdings arbeiten viele kleinere Endgeräte mit Gleichstrom, darunter Server und anderes IT-Equipment. Bei jeder Wandlung geht aber immer Energie verloren. Wie viel ist das?

Karl Kimmig: Bei der Versorgung eines großen Rechenzentrums wird Wechselstrom tatsächlich mehrfach gewandelt, bis er bei den Verbrauchern ankommt. Von der obersten Spannungsebene, 110 Kilovolt (kV), auf die Mittelspannungsebene, 10 bis 30 kV, und dann in den Niederspannungsbereich mit 400 V, an den die meisten Verbraucher im Rechenzentrum angebunden sind. Im White Space wird dann noch einmal direkt bei der Netzversorgung der IT-Last auf den Gleichspannungspegel des Servers gewandelt.

Strom-Wandlungsvorgänge zwischen Hochspannungsleitung und RZ-Endgerät.
Strom-Wandlungsvorgänge zwischen Hochspannungsleitung und RZ-Endgerät.
(Bild: ABB)

Genau zu sagen, wie groß die Verluste sind, welche sich auf der ganzen Strecke aus den Wandlungsprozessen ergeben, bis der Strom im Endgerät genutzt wird, ist auf Grund der vielfältigen und unterschiedlichen Anforderungen in einem Rechenzentrum pauschal unmöglich.

Es gibt Berechnungen, die bei einer reinen Gleichstromversorgung gegenüber der klassischen Wechselstromversorgung einen Energie-Effizienzvorteil von 5 bis 10 Prozent sehen.

Sebastian Behr: Es ist ja so, dass man im Rechenzentrum auch heute schon Gleichstromkomponenten hat, zum Beispiel die Batterien, die in Aktion treten, wenn der Strom ausfällt. Gleichzeitig gibt es Komponenten in der Infrastruktur, die mit Wechselstrom betrieben werden. Dazu gehören zum Beispiel die Ventilatoren der Klima- und Lüftungsanlagen oder Pumpen.

Wahrscheinlich wird man also zunächst zwei Stromversorgungen brauchen – eine Gleich- und eine Wechselstromversorgung. Komplett mit Gleichstrom versorgen wird man vorläufig erst mal den White Space.

Vorteile von Gleichstrom

Fünf bis zehn Prozent mehr Effizienz sind nicht gerade wenig. Gibt es weitere Vorteile, die Gleichstrom hätte? Zum Beispiel, dass Photovoltaik-Strom ja als Gleichstrom erzeugt wird und damit nicht in Wechselstrom gewandelt werden muss?

„Bei Stromversorgung mit PV ist Gleichstrom vorteilhaft“, sagt Karl Kimmig, Leiter Segment Data Center Deutschland bei ABB.
„Bei Stromversorgung mit PV ist Gleichstrom vorteilhaft“, sagt Karl Kimmig, Leiter Segment Data Center Deutschland bei ABB.
(Bild: ABB)

Karl Kimmig: Bei der Stromversorgung mit PV-Strom wäre eine Gleichstromversorgung tatsächlich vorteilhaft, weil damit ein ganzheitliches Microgrid auf Gleichstrombasis aufgebaut werden könnte. Dazu kommen weitere Vorteile: Gleichstrom wird mit Leistungselektronik geschaltet, nicht mit mechanischen Schaltern. Das ist deutlich schneller. Die Geräte werden leichter, es wird in Summe weniger Material verbraucht und weniger Platz benötigt. Das sind letztlich auch Effizienzgewinne.

Einen Nachteil, dass man dadurch stärker in Abhängigkeit von Elektronikherstellern im Ausland gerät, sehe ich nicht; denn die Abhängigkeit ist tatsächlich überall vorhanden. Inzwischen ist in fast jedem Produkt Elektronik integriert. Dies ist eher ein gesamtheitliches Problem.

„Schon heute Gleichstromkomponenten im Rechenzentrum“, so Sebastian Behr, Vertriebsspezialist Datacenter bei ABB.
„Schon heute Gleichstromkomponenten im Rechenzentrum“, so Sebastian Behr, Vertriebsspezialist Datacenter bei ABB.
(Bild: ABB)

Sebastian Behr: Man muss allerdings sagen, dass die Effizienz natürlich auch auf ganz andere Weise erhöht werden kann. Beispielsweise durch Energie-effizientere Anlagentechnik, durch angepasste Auslastung des einzelnen Geräts, die ja wegen hoher Redundanzforderungen häufig ineffizient ist.

Durch innovative Planung reduziert sich bei Gleichstrom die Anzahl der Komponenten, wobei jedes einzelne Bauteil Strom in Wärme umwandelt. Insgesamt sinkt dadurch die Verlustleistung. Deshalb sollte man Zahlen für jeden Fall individuell ermitteln.

Hindernisse für Gleichstrom

Welche Hindernisse sorgen dafür, dass es erst langsam in Richtung Gleichstrom geht, wenn überhaupt?

Karl Kimmig: Der wichtigste Grund ist tatsächlich, dass der gesamte Markt auf das Wechselstromdesign eingestellt ist. Datacenter-Verantwortliche wissen heute genau, wie eine Wechselstromversorgung im Rechenzentrum gestaltet werden muss. Dafür gibt es Standards und Blaupausen, jedoch für Gleichstrom nicht. Die meisten Hersteller, darunter auch wir, sind gerade dabei, ihr Portfolio der Gleichstrom-Komponenten zu komplettieren, damit es im Gleichstrom-Bereich keine Einschränkungen im Vergleich zum Wechselstromportfolio mehr gibt.

Gibt es eine relevante Standardentwicklung für Gleichstrom-Datacenter?

Karl Kimmig: Das geht gerade erst los und wird noch einige Zeit dauern. Dazu sind Regulierungsmaßnahmen und Vorgaben der Standardisierungsgremien erforderlich, sei dies nun vom TÜV, Uptime Institut oder DIN-Normen. Vereinheitlichte Standards würden den Markt fördern und dadurch die Nachhaltigkeit unterstützen und den Unternehmen Sicherheit geben.

In der Entwicklung: Gleichstrom-Produkte

Und wie sieht es mit Gleichstrom-tauglichen IT-Komponenten aus?

Sebastian Behr: Die Entwicklung wird noch eine Weile dauern. Man sieht es an den Servern, den wichtigsten Komponenten im Rechenzentrum. Die meisten handelsüblichen Server haben heute keine Gleichstromeingänge, sondern nehmen Wechselstrom auf und wandeln ihn dann in den Gleichstrom, den sie brauchen. Erste Projekte für Gleichstromversorgung von IT-Equipment werden zum Beispiel als OCP-Lösungen (OCP = Open Compute Project) bereits entwickelt und eingesetzt, hauptsächlich mit 48 V DC.

Gleichstrom-Microgrids können PV-Strom ohne viele Wandlungen einsetzen, was Energie spart.
Gleichstrom-Microgrids können PV-Strom ohne viele Wandlungen einsetzen, was Energie spart.
(Bild: ABB)

Karl Kimmig: Letztlich sind die Hürden auch unternehmerischer Natur. Niemand entwickelt Produkte, ohne belastbare und aussichtsreiche Markt- oder Gewinnprognose; denn das alles kostet ja Geld. Zudem sind die Komponenten für Gleichstrom, vor allem die leistungsschaltenden Produkte, technisch anspruchsvoller als klassische Wechselstromprodukte.

Beim Schalten von Gleichstrom können Lichtbögen entstehen, weil immer die volle Leistung geschaltet wird. Es muss besonders auf Sicherheit geachtet werden. ABB entwickelt trotzdem ein komplettes Geräteportfolio, weil sich eine steigende Nachfrage aus der Industrie und dem Rechenzentrumsbereich abzeichnet.

Kaum Gleichstromprojekte bei Datacenter

Wie sieht es mit Projekten aus?

Karl Kimmig: Es gibt in Deutschland geförderte Gleichstrom-Pilotprojekte im industriellen, meines Wissens aber nicht im Rechenzentrumsbereich.

Sebastian Behr: ABB hat in der Schweiz vor Jahren bereits ein Gleichstromrechenzentrum aufgebaut, allerdings ist das inzwischen nicht mehr mit Gleichstrom in Betrieb.

In welchen Zeithorizonten könnte Gleichstrom nach vorn kommen?

Karl Kimmig: Ich gehe davon aus, dass es auf dem Markt innerhalb der nächsten drei Jahre viele neue Gleichstromprodukte und -Lösungen geben wird. Staatliche Vorgaben und Unterstützung würden eine schnellere Migration zur Gleichstromtechnologie sicher auch fördern.

Außerdem arbeiten die großen Hyperscaler schon heute an Konzepten für Gleichstrom-Datacenter. Ich denke, dass wir in drei bis fünf Jahren die ersten Rechenzentren mit Gleichstromversorgung für den White Space sehen werden.

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