USV - Die Erstversorgung der IT im Notfall

Was ist eine Unterbrechungsfreie Stromversorgung?

| Autor / Redakteur: Ariane Rüdiger / Ulrike Ostler

Nur ganz wenige verzichten im IT-Betrieb auf die Absicherung durch Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV). Bis zu 20 Prozent des Stromverbrauchs im Datacenter können diese Notfallsysteme selbst für sich beanspruchen und die Konfiguration ist keinesfalls trivial. Da ist Raum für Verbesserungen.
Nur ganz wenige verzichten im IT-Betrieb auf die Absicherung durch Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV). Bis zu 20 Prozent des Stromverbrauchs im Datacenter können diese Notfallsysteme selbst für sich beanspruchen und die Konfiguration ist keinesfalls trivial. Da ist Raum für Verbesserungen. (Bild: gemeinfrei: yourschntz/Pixabay / CC0)

Anlagen für die Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) schützen IT-Anlagen gegen Stromausfall und Spannungsschwankungen und sind daher in fast jedem Rechenzentren unentbehrlich.

Das Akronym USV steht für Unterbrechungsfreie Stromversorgung, auf Englisch UPS (Uninterruptible Power Supply). USV-Analgen befinden sich zwischen der eigentlichen Stromversorgung aus dem Netz und der Rechenzentrums-IT, Sie koppeln diese bei Bedarf von der direkten Versorgung aus dem Netz und damit auch von Unwägbarkeiten im Stromnetz ab.

USV-Systeme eignen sich für die Neutralisierung folgender Zwischenfälle:

  • Blitzeinschläge
  • Spannungsschwankungen (Unter-/Überspannung)
  • Stromausfall
  • Oberschwingungen
  • Frequenzänderungen

Gerade Über- oder Unterspannungen könnten bei überwiegender Versorgung aus regenerativen Quellen zunehmen. Ohnehin ist in professionellen Umgebungen der Einsatz von USVs verpflichtend.

Die Gestaltung von USV-Systemen ist in der Europanorm EN-62040 geregelt. Außerdem taucht sie als Komponente des BSI-Grundschutz (M1-Maßnahmenkatalog Infrastruktur) und als Komponente der RechenzentrumsiInfrastruktur in der neuen Norm zu Aufbau und Betrieb von Rechenzentren EN 50600 in den Teilen 1 (Aufbau) und 3 (Stromversorgung) als eine Komponente der redundanten Versorgung auf.

Grundkomponenten

USV-Systeme haben drei wesentliche Komponenten: einen Energielieferanten, Verbindungen einerseits zu Batterien/Generatoren und andererseits zu den IT-Systemen und elektronische Schaltungen. Ersterer sorgt bei Stromausfällen dafür, dass für eine gewisse Überbrückungszeit weiterhin wie gewohnt Strom fließt.

Die Elektronik vermisst den Strom, der aus dem Netz hereinkommt, normalisiert ihn, verwandelt Gleich- in Wechselstrom und umgekehrt und schaltet bei kurz- oder längerfristigen Ausfällen zum Batteriestrom um- sowie gegebenenfalls (bei längeren Ausfällen) einen längerfristig lauffähigen (Diesel)generator ein.

Bei voll redundantem Systemdesign muss auch die USV-Anlage samt Batterien/Generator redundant ausgelegt sein. Die Verbindungen senden die Signale einerseits an die Ersatzstromquellen und koordinieren diese, falls es eine für die kurz- und eine für die langfristige Versorgung gibt, andererseits an die IT-Systeme. Diese werden gegebenenfalls zum Herunterfahren aufgefordert. Weiterhin bringen USV-Systeme auch Monitoring-Software mit oder sind in Monitoring-Systeme einbindbar. Deren Aufzeichnungen ermöglichen es rückblickend, den genauen Verlauf von Ereignissen, die die Stromversorgung betreffen, nachzuzeichnen und zu analysieren.

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USV-Anlagen gibt es in allen denkbaren Formaten: Vom System mit einigen Hundert Voltampere zur Absicherung von Einzelplatzanlagen bis zur Lösung für das gesamte Rechenzentrum mit Hunderten von kVA. Eine relativ neue Entwicklung ist im Rahmen von Open-Compute- und Rackscale-Designs, dass USV-Module in jedes einzelne Rack integriert werden. Das soll die Über- beziehungsweise kostspielige Fehldimensionierung von Batteriebänken und –räumen verhindern.

Der Markt für Datacenter-USV-Anlagen hat sich in den vergangenen Jahren stark konsolidiert. Zu den wichtigen Lieferanten gehören Unternehmen Knürr, Delta USV, AEG, Piller und Siemens, wichtige internationale Player sind Schneider Electric, ABB, Eaton und Vertiv (ehemals Emerson Network Power).

Überbrückungsenergien

Als Überbrückungsenergie fungieren in der Regel Batteriebänke. Sie sind bei Datacenter-tauglichen Anlagen oftmals skalierbar, das heißt: Die Batteriebänke an einer USV lassen sich beim Einbau weiterer IT-Systeme skalieren. Das erfordert allerdings entsprechende räumliche Ressourcen, die bei der Rechenzentrumsplanung bedacht werden müssen.

Vielfach werden auch heute noch Bleibatterien verwendet. Diese erfordern wegen ihrer Verschleißeigenschaften sorgfältige Wartung, die in der Regel durch den Lieferanten oder einen von ihm beauftragten Dienstleister vorgenommen wird. Sie müssen je nach Batterietyp spätestens zehn oder auch fünf Jahren ausgetauscht werden.

USV-Anlagen helfen, wenn der Strom ausfällt, sorgen aber auch für gleichmäßige Vrsorgung der IT.
USV-Anlagen helfen, wenn der Strom ausfällt, sorgen aber auch für gleichmäßige Vrsorgung der IT. (Bild: gemeinfrei: 3dman_eu/ Pixabay / CC0)

Bleibatterien erfordern eine sorgfältige Temperaturregelung im Batterieraum, da Temperaturschwankungen und Fehltemperierung die Lebensdauer der Batterien beeinträchtigen können. Daneben verbreiten sich inzwischen auch wartungsfreie (Blei-Gel) und temperaturstabilere Batterieformen, vor allem NiCd-Batterien, die aber noch immer teurer sind als Bleibatterien. Vertiv setzt bei einer neueren USV-Anlage auf Lithiumbatterien.

Batterie- unterstützte UPS-Systeme stehen wegen der verwendeten Batterien immer wieder in der Kritik, da Batterien nicht besonders umweltfreundlich sind. Die USV und damit auch die Batterieanlage bzw. der Notstromaggregator muss so dimensioniert werden, dass sie rund 25 Prozent mehr Strom bereitstellen kann als alle angeschlossenen Verbraucher. Für längere Versorgungsdauern unabhängig vom Netzbetrieb können Batterien als erste netzunabhängige Versorgungsstufe mit einem nachgelagerten Dieselgenerator gekoppelt werden.

Schwungräder im Auftrag der Stromerzeugung

Als Alternative kommen Schwerkraft-UPSs in Frage, bei denen eine rotierende Schwungmasse für Überbrückungsstrom sorgt. Man spricht auch von dynamischen USV-Anlagen oder Schwungrad-USVs. Schwerkraft-USVs kommen ohne Batterien aus, sind aber zumeist groß, schwer und teuer. Zudem brauchen sie wegen der Fliehkraft und der damit zusammenhängenden und des Gewichts der rotierenden Masse entsprechend stabile bauliche Voraussetzungen.

Ein hiesiger Anbieter, der auf dieses Prinzip setzt, ist Piller mit seiner CPM-Lösung für Rechenzentren. Während Batterien durchaus auch mehrere Stunden überbrücken können, ist dazu eine Schwungmasse-USV nicht in der Lage. Deshalb muss sie immer mit einem nachgelagerten Stromgenerator, häufig einem Dieselgenerator, gekoppelt werden.

Eine weitere neue Technologie, die Batterien teilweise oder ganz ersetzen könnten, sind so genannte Superkondensatoren, die zumindest kurzfristige Spannungsschwankungen gut überbrücken können. Hier ist Eaton einer der Vorreiter.

Schaltungstypen

Offline-USVs sind in EN-62040-3.2.20 der Klasse 3 genormt. Sie sind die einfachsten Systeme dieser Art. Bei Verwendung einer Offline-USV werden die stromverbrauchenden Geräte direkt an die Spannungsversorgung angeschlossen. Die Offline-USV läuft parallel. Über- oder Unterspannungen erkennt das Gerät und schaltet dann auf Batteriebetrieb um.

Das dauert vier bis 10 Millisekunden und ist damit für viele IT-Aufgaben schon zu lange. Zudem kompensiert eine Offline-USV weder Unter- noch Überspannungen. Ihr Wirkungsgrad liegt bei 95 Prozent. In professionellen Rechenzentren werden heute in aller Regel keine Offline-USVs mehr verwendet.

Netz-interaktive oder Line-interaktive USVs sind in EN-62040 -3.2.18 der Klasse 2 normiert. Sie befinden sich zwischen Netzanschluss und IT-Anlage. Diese Geräte filtern Spannungsschwankungen aus und sind direkt mit den Batterien oder sonstigen Notstromaggregaten verbunden. Das Umschalten auf Batteriebetrieb dauert zwei bis vier Millisekunden, zurück auf Netzbetrieb schalten solche Systeme verzögerungsfrei. Der Wirkungsgrad solcher Lösungen liegt zwischen 95 und 98 Prozent.

Dauerlauf statt Sprint

Am zuverlässigsten und flexibelsten arbeitet die Online- oder Dauerwandler-USV. Sie ist deshalb der in modernen Rechenzentren am weitesten verbreitete USV-Typ. Hier wird aus der angelieferten Netzspannung aus dem allgemeinen Stromnetz mittels eines Gleichrichters zunächst eine Gleichspannung erzeugt, mit der die Batterien geladen werden. Die Wechselspannung am Ausgang, die die IT-Systeme versorgt, sofern diese keine Gleichstromverbraucher sind, wird aus dem intern erzeugten Gleichstrom mittels eines Wechselrichters generiert. Es entsteht also eine eigene, sehr stabile Sinusspannung für das Rechenzentrum, die mit dem Geschehen im allgemeinen Stromnetz nicht mehr direkt verknüpft ist.

Allerdings ist ihr Wirkungsgrad mit 90 Prozent geringer als der der Netz-interaktiven Bauformen. Das liegt an der dauerhaften Überbrückungsschaltung. Sie wirkt als zusätzlicher Widerstand, der Verluste in Form von Wärme und Leistungsverlusten erzeugt. Diesesr USV-Typ braucht in jedem Betriebszustand mehr Strom als die ersten beiden Anlagentypen. Es gibt also bei USVs einen deutlichen Trade-off zwischen Sicherheit und Effizienz.

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Moderne USVs testen die eigene Funktionsfähigkeit alle 24 Stunden selbsttätig. Darüber hinaus sollte aber die gesamte Notstromversorgung in regelmäßigen, nicht zu weiten Abständen (mehrmals jährlich) einer Überprüfung unterzogen werden. Bei Dieselgeneratoren ist darauf zu achten, dass der Brennstoff nicht durch zu lange Lagerung degeneriert. Neue Chancen bietet die Möglichkeit, Stromprovidern die eigene Energie-Erzeugung per Generator als Sekundenreserve gegen Entgelt anzubieten.

Damit wird die USV samt Generator eventuell zur Geldquelle, zudem wird der Generatortreibstoff regelmäßig verbraucht, so dass er nicht altert. Dabei sind aber die Gesamtgegebenheiten jedes individuellen Rechenzentrums genau abzuwägen. Insbesondere darf nicht die Betriebssicherheit der IT-Anlage mit den dadurch drohenden Datenverlusten gefährdet werden, um anderenorts Umsätze zu erzielen.

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