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High-Performance-Computing-Workloads (HPC) befinden sich auf Wachstumskurs - ein Ende ist nicht in Sicht. Laut Statista wird das Marktvolumen für generative KI bis 2031 442,07 Mrd. US-Dollar betragen. Die zur Berechnung von KI-Workloads benötigten Graphics Processing Units (GPUs) sind in nur zehn Jahren um den Faktor Tausend leistungsfähiger geworden und neue Generationen erscheinen in immer kürzeren Abständen.

In Europa führt der Anstieg von KI-Workloads infolge des enormen Energiebedarfs zu großen Herausforderungen bei Stromverfügbarkeit und Netzstabilität. In Kombination mit den ambitionierten Nachhaltigkeitszielen der Europäischen Union - einschließlich der angestrebten Klimaneutralität bis 2050 - erfordert dies innovative Energiemanagement-Lösungen mit hohem Anteil an erneuerbaren Energien. Rechenzentrumsbetreiber müssen somit die zuverlässige Stromversorgung, die für den wachsenden Energiebedarf benötigt wird, mit den strengen Umweltauflagen in Einklang bringen.

Der kritische Strompfad

Eine Grundvoraussetzung für die Stromversorgung eines Rechenzentrums ist der Aufbau eines zuverlässigen kritischen Strompfads. Der kritische Strompfad ist die elektrische Energieverteilung vom öffentlichen Netz bis zum IT-Equipment. Er umfasst Schaltanlagen, USV-Systeme, Power Distribution Units und weitere zentrale Komponenten.

Die Energie zur Versorgung der Rechenzentrumsinfrastruktur stammt entweder aus dem öffentlichen Stromnetz oder aus erneuerbaren Stromquellen, beispielsweise einer gebäudeeigenen PV-Anlage. Ein ATS (Automatic Transfer Switch) schaltet beim Ausfall der Primärversorgung nahtlos auf Ersatzstromquellen um und gewährleistet so den unterbrechungsfreien Betrieb. Neben USV-Anlagen können auch Brennstoffzellen oder Batteriesysteme mit verlängerte Autonomiezeit eingesetzt werden, um die Versorgungsicherheit zu erhöhen. 

Schaltanlagen koppeln die Stromverteilung des Rechenzentrums mit dem öffentlichen Stromnetz. Bei starken Spannungsschwankungen oder Kurzschlüssen können sie das Rechenzentrum zum Schutz vor Beschädigungen vom Netz trennen sowie Geräte während der Wartung oder bei Reparaturen isolieren.

Die USV-Anlagen stellen bei Netzausfällen eine unterbrechungsfreie Stromversorgung sicher und puffern Spannungsschwankungen oder Spannungsspitzen aus dem Netz. Fällt das Netz aus, greifen sie auf das Battery Energy Storage System (BESS) zurück. Dieses puffert Energie, glättet kurzfristige Versorgungsschwankungen und kann wie die USV als lokaler Energiespeicher dienen. Statische Transferschalter ermöglichen einen sofortigen Lastübergang zwischen den Energiequellen und stellen so eine kontinuierliche, zuverlässige Versorgung sicher. Power Distribution Units (PDUs) und Remote-Panels (Unterverteilungen) verteilen die Energie an verschiedene Compute-Knoten und Speichersysteme, während Stromschienen-Systeme (Busways) und Rack-PDUs (Power Distribution Unit) die IT-Geräte versorgen.

Die richtigen USV-Systeme sind entscheidend

KI-Workloads verändern die Energienutzung in der IT und erhöhen die Anforderungen an Netzkapazitäten und Betrieb. Trotz steigender Rack-Dichten bleibt die Strominfrastruktur in Rechenzentren oft unverändert. Daher sollten Eigentümer und Betreiber sicherstellen, dass jede Komponente im kritischen Strompfad den Strom zuverlässig vom öffentlichen Netz zu den kritischen Komponenten liefert. Die Wahl der passenden USV-Systeme hilft, die Lasten aus HPC-Anwendungen zuverlässig bedienen zu können.

Saubere Hochleistungs-Stromversorgung mit dreiphasigen Online-USV-Systemen

Dreiphasige Drehstromsysteme gewährleisten eine dauerhaft hohe und ausgewogene Leistungsabgabe. In solchen Systemen sind die Phasen um 120 Grad gegeneinander versetzt. Erreicht eine Phase ihre maximale Belastung, liefern die beiden anderen Phasen weiterhin Strom und verhindern so Einbrüche in der Versorgung. Diese Eigenschaft macht Dreiphasensysteme zur idealen Wahl für Rechenzentren.

Online-Doppelwandler-USV-Systeme stellen kontinuierlich eine gleichmäßige, netzunabhängige Wechselspannung mit einer reinen Sinuswelle bereit, die für einen reibungslosen Betrieb der empfindlichen IT-Komponenten erforderlich ist. Durch die dauerhafte Wandlung zwischen Wechselstrom und Gleichstrom schützen die USV-Systeme kritische Lasten vor Spannungsschwankungen und beugen Geräteschäden vor. Bei Netzausfällen schalten die Anlagen verzögerungsfrei auf Batteriebetrieb um, was Datenverluste durch zu lange Schaltzeiten zuverlässig verhindert. Große dreiphasige USV-Systeme verfügen zudem über spezielle Regelungsmechanismen, die die aktiven Oberschwingungen in den Lasten abtasten und kompensieren können. Sind Wartungen erforderlich oder treten Störungen auf, können Online-USV-Anlagen die Stromversorgung über einen internen Bypass direkt durchschalten.

Grid-Interactive USV-Systeme stabilisieren Lastspitzen

Grid-Interactive USV-Systeme interagieren mit dem Stromnetz und arbeiten zur Kompensation des Energiebedarfs aus KI-Anwendungen mit Energiespeichern wie dem Battery Energy Storage System (BESS) zusammen. So stellen sie auch bei Ausfällen oder sehr hoher Nachfrage eine unterbrechungsfreie Stromversorgung der kritischen Lasten sicher. Mit Fast-Frequency-Reserve-Fähigkeiten (FFR) reagieren Grid-Interactive USV-Systeme schnell auf Schwankungen von Angebot und Nachfrage und erlauben den nahtlosen Übergang auf gespeicherte Energie.

Das Battery Energy Storage System speichert überschüssige Energie bei niedriger Nachfrage und gibt sie zu Spitzenzeiten wieder frei. Diese Praxis wird häufig als Peak Shaving bezeichnet. Dies verhindert Überlastungen, sorgt für einen energieeffizienten, unterbrechungsfreien Betrieb und verringert die Abhängigkeit von klassischen Energiequellen.

Fazit

USV-Systeme mit hoher Kapazität bilden das Rückgrat des kritischen Strompfads und sind unverzichtbar, um die immer weiter steigenden Anforderungen an eine stabile Stromversorgung für KI-Anwendungen zu erfüllen.

Um Rechenzentren allerdings vollumfänglich für den Betrieb von KI-Workloads und High-Performance Computing auszustatten, ist ein ganzheitlicher Ansatz erforderlich, der noch viele weitere Faktoren berücksichtigt. Rechenzentrumsbetreiber müssen dazu von einem komponentenbasierten Ansatz auf die Systemperspektive wechseln und Stromversorgung, Kühlungsinfrastruktur und Kapazitätsplanung von Anfang an angemessen in ihr Konzept integrieren.

Da in der EU zudem das Thema Nachhaltigkeit durch gesetzliche Vorgaben sehr stark vorangetrieben wird, gewinnen innovative Energiemanagement-Lösungen immer mehr an Bedeutung. Die Verbindung KI-fähiger Infrastruktur mit regulatorischer Umweltkonformität setzt neue Maßstäbe und positioniert europäische Rechenzentren an der Spitze der nachhaltigen digitalen Transformation.