Die Zukunft der Primärenergieversorgung Modularität und Microgrids für Großrechenzentren

Wie kann eine Primärenergiequelle, die aus für einen schnellen Einsatz geeigneten modularen 10-Megawatt-Motoren, -Generatoren und -Energiekonditionierungssystemen besteht, in großem Maßstab bis zu 100 Megawatt+ Datacenter-Versorgungsleistung bereitstellen und den Weg zur Klimaneutralität ebnen? Eine der Antworten liefern Microgrids.

Um die Netto-Null-Ziele bis 2050 zu erreichen und eine globale Erderwärmung über 1,5 Grad Celsius zu verhindern, wie es in dem von 196 Ländern unterzeichneten Pariser Abkommen gefordert wird, müssen die Kohlendioxidemissionen nach Angaben der Vereinten Nationen bis 2030 um 45 Prozent gesenkt werden. Dafür müssen bis 2050 die 40.000 Terawattstunden (TWh) Strom, die auf der Erde verbraucht werden, zu 90 Prozent aus erneuerbaren Quellen stammen, bei einer verbleibenden Erzeugung aus fossilen Brennstoffen von weniger als 10 Prozent.

Die Rolle von Microgrids auf dem Weg ins Jahr 2050

Bei vielen Anwendungen, zum Beispiel in Energie-intensiven Sektoren, wird die Abhängigkeit von zentralen Versorgungsnetzen im Laufe der Zeit durch dezentrale Microgrids ersetzt werden, in Verbindung mit neuen Technologien und Energiespeichern.

Microgrids sind kein neues Konzept und es gibt sie bereits seit Jahrzehnten. Microgrids sind unabhängige Stromversorgungssysteme, basierend auf verschiedenen Technologien und Energiequellen, die die Ausfallsicherheit und Resilienz bei kritischen Anwendungen erhöhen. Die Transformation des weltweiten Energiesystems ist eine Kombination aus Massenelektrifizierung, einem schnellen Übergang zur Nutzung erneuerbarer Energien und einer Veränderung der Art und Weise, wie wir Energie verbrauchen und einsparen, um Verschwendungen zu minimieren.

Diese Abkehr von der traditionellen Netzabhängigkeit hin zur Unabhängigkeit durch Microgrids hat erhebliche Auswirkungen auf diejenigen, die mit der Entwicklung, der Bereitstellung und dem Betrieb großer digitaler Infrastrukturen betraut sind. Das bedeutet für die Datacenter: Um sich von den traditionellen Stromnetzen zu lösen, müssen Investoren, Planer und Betreiber von Rechenzentren schnell handeln, und zwar in einem bisher nie dagewesenen Umfang und Tempo. Im Endeffekt bedeutet das, dass sie Microgrids vor Ort oder in der Nähe ihrer Einrichtungen aufbauen müssen.

Die Microgrid-Varianten

Microgrids gibt es in vielen Varianten. Allen Microgrids gemeinsam ist jedoch die Fähigkeit, lokal erzeugten, sauberen, konditionierten und zuverlässigen Strom in der für die Last erforderlichen Größenordnung bereitzustellen. Im Fall von Rechenzentren sind dies wahrscheinlich mehrere Dutzende oder sogar mehr als hundert Megawatt je nach Standort.

Dieser Energiebedarf wird häufig aus verschiedenen Quellen wie erneuerbaren Energien und Stromgeneratoren vor Ort, sowie unterbrechungsfreien Stromversorgungssystemen mit Energiespeichern und zugehöriger Infrastruktur stammen. Hybride Microgrids werden die Energiewende von fossilen Brennstoffen zu erneuerbaren Energien beschleunigen. Mit niedrigeren Regulierungshürden, schnellerem Einsatz und kosteneffizienter Skalierung vereinfachen modulare Lösungen den Prozess für den Planer und verringern das finanzielle Risiko für die Betreiber.

Wo sich Microgrids und Rechenzentren ergänzen

Aus dem CBRE-Bericht „Global Data Centre Trends 2023“: „Ein weltweiter Engpass an verfügbarer Energie hemmt das Wachstum des globalen Rechenzentrumsmarktes. Die Beschaffung ausreichender Energie hat für die Betreiber von Rechenzentren in Nordamerika, Europa, Lateinamerika und im asiatisch-pazifischen Raum oberste Priorität.“

Der Bericht über den europäischen Rechenzentrumsmarkt prognostiziert für die FLAP-Märkte (Frankfurt, London, Amsterdam und Paris) für 2023 einen Anstieg der benötigten Versorgungsleistung um 524 Megawatt. Innerhalb des FLAP-Gebiets wird für Frankfurt ein Anstieg von 147 MW erwartet, das ist der größte aller „Tier-1“-Märkte im Jahr 2023.

Dieses Nachfrageniveau wird durch Künstliche Intelligenz (KI), High Performance Computing und die Einführung der digitalen Transformation angetrieben. Während die benötigten Rechen-, Speicher- und Netzwerkkapazitäten eine Domäne des IT-Sektors sind, stellt diese Nachfrage nach mehr Leistung die Betreiber von Rechenzentren aufgrund der steigenden Anforderungen an die Leistungsdichte vor neue Herausforderungen.

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Die Betreiber müssen Fragen beantworten wie: Woher soll die Energie für dieses Wachstum der digitalen Infrastruktur kommen? Können Rechenzentren weiterhin auf bereits überlastete traditionelle Stromnetze zurückzugreifen, auch wenn die Energielieferanten von zuverlässigen, aber CO₂-ausstoßenden fossilen Brennstoffen zu weniger zuverlässigen und oft volatilen erneuerbaren Energiequellen wechseln?

Diese Herausforderungen verändern die Sichtweise von Rechenzentren in Bezug auf ihre Forderung, kontinuierlich und zuverlässig auf Grundlaststrom zuzugreifen. Sie verändern auch die Art und Weise, wie Rechenzentrumsbetreiber mit herkömmlichen Energie-Erzeugern und Übertragungsnetzbetreibern interagieren:

• Wie und wann könnten sie beispielsweise zum Lastabwurf und Spitzenlastausgleich mit dem Netz gekoppelt und von diesem abgekoppelt werden, um das Netz in Zeiten hoher Nachfrage zu unterstützen?

• Wie werden Netzunabhängigkeit und neue Arten der Interaktivität mit dem Netz erreicht?

• Wie kann alternative Stromerzeugung und -bereitstellung nachhaltig gestaltet werden?

All dies hat dazu geführt, dass die netzunabhängige Energie-Erzeugung und -speicherung für alle Energie-intensiven Sektoren, einschließlich der Rechenzentren, im Fokus stehen.

Ein Fahrplan

Piller entwickelt und implementiert seit mehreren Jahrzehnten Technologien und Systemlösungen in Microgrid-Anwendungen. Angesichts der gegenwärtigen und zukünftigen Anforderungen an Nachhaltigkeit, verbunden mit Beibehaltung hoher Zuverlässigkeit, ist Piller der Ansicht, dass die Energieversorgung von Rechenzentren hybrider Natur sein sollte und dass Microgrids und Modularität von entscheidender Bedeutung sind.

Denn einige große Rechenzentren werden Zugang zu lokalen erneuerbaren Energien haben – der Großteil jedoch nicht. Diejenigen, bei denen dies nicht der Fall ist, benötigen eine primäre Grundlastversorgung mit effizienten LNG-Motoren und Microgrids mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK).

Denn, selbst wenn ein Rechenzentrum direkt neben oder in der Nähe einer modernen Windkraftanlage, einer Solaranlage oder einer anderen erneuerbaren Energiequelle liegt, werden moderne motorgetriebene Stromerzeuger benötigt, um Schwankungen auszugleichen. Solche motorgetriebenen Stromerzeuger bieten eine hohe Verfügbarkeit und einen hohen Wirkungsgrad, kombiniert mit einer hervorragenden Fähigkeit, schnelle und häufige Lastschwankungen zu bewältigen, falls eine Ausgleichsleistung benötigt wird, während sie in Verbindung mit volatilen erneuerbaren Energiequellen zu Einsatz kommen.

Um den geringen Kohlenstoffausstoß der erneuerbaren Energieträger zu erreichen, müssen die Motoren dieser Stromerzeuger für den Betrieb mit Wasserstoff umgerüstet werden, wobei ein klarer Nachhaltigkeitsfahrplan für den kohlenstofffreien Betrieb von Flüssigerdgas (LNG) über LNG/Wasserstoff-Mischung bis hin zum reinen Wasserstoffbetrieb mit sauberer und effizienter Energieversorgung zu erstellen ist. Im Idealfall werden sie als modulare Bausteine eingesetzt, die in 10-Megawatt-Modulen bis hin zu über 100 MW skalierbar sind, um den wachsenden Lastanforderungen gerecht zu werden (siehe: Abbildung).

Durch den Betrieb als KWK-Module (Kraft-Wärme-Kopplung) für Rechenzentren wird der Gesamtwirkungsgrad erheblich gesteigert (Nutzung von 85 Prozent der erzeugten Energie im Vergleich zu 35 Prozent bei einer Konfiguration ohne KWK). Die Verwendung von mehreren Modulen bedeutet außerdem, dass das System immer redundant (N+1) aufgebaut werden kann. Traditionelle Notstromaggregate und große Batterieparks werden nicht mehr benötigt.

Ein wichtiger Faktor für den lokalen Betrieb von Microgrids ist die unabhängige Frequenzstabilisierung und Spannungsunterstützung, die elektrisch an das Stromerzeugungsmodul oder die erneuerbare Quelle gekoppelt ist. Ein solcher 10-MW Stabilisator könnte aus 4 x 2,5-MW-Modulen mit integriertem Energiespeicher bestehen.

Wasserstoff, Kinetik und Batterien

Abhängig von der Anwendung und den örtlichen Anforderungen könnte die Energiespeicherung aus kinetischen Schwungrädern bestehen, die eine langfristige Nachhaltigkeitsoption bieten. Alternativ kann eine Batterie-Energiespeicherung eingesetzt werden, die je nach Bedarf von Minuten bis Stunden reicht. Die konditionierte Energie wird dann je nach Bedarf auf bis zu 10 MW pro Modul verteilt und kann mehrfach skaliert werden. Piller verfügt seit mehr als 25 Jahren über praktische Erfahrung mit kinetischen Energiespeichern.

Im System werden eventuelle Spannungseinbrüche und Überspannungen durch die Rotationsenergie kompensiert, ohne zusätzliche Filterelemente. Eine zuverlässige Stromversorgung erfordert auch einen Systemschutz, der unter allen Betriebsbedingungen ausreichende Fehlerströme liefern kann. Ein Fehlerstrom, der nicht sofort isoliert wird, gefährdet die zu versorgenden kritischen Lasten. Die hohe Kurzschlussstromfähigkeit der Systemkomponenten in Verbindung mit der natürlichen Trägheit der Synchrongeneratoren und der Stabilisierungseigenschaften sind daher für den fehlerfreien Betrieb von entscheidender Bedeutung.

Microgrids können eine Reihe von wichtigen Zielen erfüllen

Die Diversifizierung in Microgrids ist ein Schlüssel zur Energie-Unabhängigkeit zwischen verschiedenen Quellen und Verbrauchern bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Widerstandsfähigkeit der Energieversorgung. Durch fortschrittliche Technik spielen Microgrids eine Schlüsselrolle bei der globalen Innovation. Sie sind eine Antwort auf die Herausforderungen einer unstetigen und unzuverlässigen Energieversorgung, die durch den Anstieg des Anteils von erneuerbaren Energien entstanden sind.

Mit dem richtigen Technologiemix lassen sich weitere Fortschritte erzielen. Synchronmaschinen sind in der Lage, einen wichtigen Beitrag zur Stromkonditionierung zu leisten und kinetische Energie als Reservestromversorgung dynamisch zu speichern beziehungsweise bidirektional abzugeben. Neben diesen wesentlichen Stabilisierungs- und Schutzfunktionen werden sogar komplette Netzausfälle bewältigt, so dass keine zusätzlichen nachgeschalteten USV-Systeme in den unternehmenskritischen Anwendungen erforderlich sind.

Ein solches System kann als nachhaltige Investition betrachtet werden, die die Kohlenstoffintensität durch die Einbindung von erneuerbaren Energien in ein Microgrid reduziert, zusätzliche USV-Anlagen für kritische Lasten vermeidet und darüber hinaus Einnahmen durch Netzdienstleistungen generiert. Dieses Konzept würde es Rechenzentren ermöglichen, in Zukunft zu Stromerzeugern zu werden und zur Energiewende beizutragen, wie wir es in Irland und anderen Regionen bereits erleben.

Die wichtigsten Erkenntnisse zum Schluss

Bedingt durch die Energiewende durchläuft auch die Stromerzeugung massive Entwicklungen und Veränderungen, um Emissionen zu reduzieren und die Effizienz zu steigern. Um den Weg zur Reduzierung der globalen Erwärmung zu ebnen und die Netto-Null-Ziele zu erreichen, ist der integrierte Ansatz eine Alternative zu konventionellen Lösungen.

Modulare Hybridlösungen bieten erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen statischen Lösungen mit Wechselrichtern und Batteriesystemen. Sie stärken die Vorteile einer wachstumsabhängigen und schnell einsatzbereiten Primär- und Backup-Stromversorgung und schützen die Investitionsrendite.

Sie vereinfachen zudem den Energiebereitstellungsprozess, machen ihn verständlicher und überwinden gesetzliche Hürden. Und: Modulare Bausteine aus Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen sind eine echte Netzersatzoption für den raschen Aufbau groß angelegter Microgrids mit sofortigen Ergebnissen zur Reduzierung der CO₂ Emissionen.

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