Wenn der Strom ausfällt Was tut eine NEA - Netzersatzanlage - im Rechenzentrum?

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Der Strom fließt in Deutschland recht zuverlässig. Doch was passiert im Rechenzentrum, wenn er einmal ausfällt? Dann tritt (hoffentlich) die Netzersatzanlage (NEA) in Aktion.

Netzersatzanlagen (NEA) greifen ein, wenn der Strom, der das Rechenzentrum versorgt, ausfällt. Sie bestehen vor allem aus einer batterieunterstützten Unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) und einem Generator.

Der Generator muss der längerfristig – etwa für 48 Stunden oder auch eine Woche – die Versorgung des Rechenzentrums samt aller Aggregate, auch der Klimatisierung, mit der notwendigen elektrischen Energie übernehmen.

Zu Generator und USV kommen weitere Komponenten: ein Antriebsmotor, Kraftübertragungs- und Lagerelemente, eine Steuerung, entsprechende elektrische Schaltelemente, eine Abgasanlage und das Kraftstoffsystem. Es besteht heute meist aus einem Tank im Keller oder draußen sowie Leitungen nebst Druck- und Füllstandsmess-Sensoren. Denkbar sind in Zukunft auch von extern zugeführte Gasleitungen, falls der Generator mit Erdgas oder Wasserstoff betrieben wird, oder Brennstoffzellen.

Mehrere parallele Anlagen brauchen eine Schaltanlage, die Parallelbetrieb verkraftet. Außerdem ist dafür eine übergeordnete Steuerung nötig. Das erste hochgelaufene Aggregat übernimmt die Master-Funktion.

Einsatzdauer und Übernahme der Stromversorgung

Netzersatzanlagen dürfen derzeit maximal 500 Stunden im Jahr eingesetzt werden. Ein Dauerbetrieb, etwa wenn das Stromnetz gepuffert werden soll (siehe: „ Sofortmaßnahme zu mehr Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit im Rechenzentrumsbetrieb Das Notstromaggregat im Datacenter ist eine Erlösquelle“) ist nicht gestattet, es sei denn, die Anlage erfüllte auch dessen strengere Bedingungen. Die maximal zulässige Unterbrechungszeit, bis der Generator anspringt, beträgt 15 Minuten, bei Versammlungsstätten ohne Batteriebänke nur 0,5 Sekunden.

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NEAs haben diverse Betriebsarten. Bei Stromausfall startet der Verbrennungsmotor, der Netzschalter wird ausgekuppelt und, sobald die Nenndrehzahl erreicht ist, der Generatorschalter eingekuppelt. Dabei entstehen Unterbrechungen.

Kommt der Strom wieder, passt sich der Generator so an, dass die Sinuswelle von Netz- und Generatorstrom übereinstimmen. Dann kuppelt der Netzschalter ein, die Systeme laufen parallel, und der Generatorschalter wird ausgekuppelt. Als letztes fährt der Generator herunter. Unterbrechungen entstehen hier nicht.

Im Prinzip laufen NEA-Tests unter Ernstfallbedingungen genauso ab, nur dass das Verhalten der Verbraucher hier genau beobachtet wird. Funktionsfähigkeit und Schwachstellen sollen sich zeigen. Ohne 'echten' Test ist nicht klar, ob bei einem realen Stromausfall alles funktioniert.

Netzparalleler Test und Inselbetrieb

Bei einem normalen Test- oder Netzparallelbetrieb ohne Ernstfallbedingungen werden Sinuswelle und Generatorstrom synchronisiert und die Anlage dann parallel zum Netz betrieben und durch die Steuerung der NEA die zu erzeugende Last vorgegeben und gegebenenfalls nach Absprache mit dem Energieversorger ins Netz eingespeist. Die Anlage wird hier über die Leistung geregelt.

Der Inselbetrieb wird über einen einleitenden Netzparallelbetrieb gestartet. Der Netzschalter wird abgekoppelt, sobald der Generator die Last der Verbraucher vollständig bereitstellt. Hier wird die NEA über die Frequenz gesteuert.

Die Dimensionierung der Notstromanlage

Die Dimensionierung von NEA richtet sich insbesondere nach der Scheinleistung der angeschlossenen Verbraucher in Kilovoltampere (kVA) Weitere Faktoren sind deren Einschalt- und Betriebsverhalten, das Verhalten des NEA-Aggregats, Umweltbedingungen und Reserven, die für spätere Erweiterungen vorgehalten werden.

Müssen USV-Anlagen versorgt werden, ist deren Netzrückwirkungsfaktor zu berücksichtigen, nicht nur ihre nominelle Leistung. Faktoren von 1,5 bis 2,5 kommen vor, dann muss die Leistung der NEA entsprechend höher angesetzt werden. Kalibriert werden NEAs für 1000 Meter Höhe und Temperaturen von 27 Grad Celsius. Abweichende Bedingungen sind zu berücksichtigen.

Generatorräume müssen neben dem Gerenerator allseits mindestens einen Meter Platz haben. Sie brauchen einen ausreichend stabilen Untergrund für das Gewicht der Anlage und gute Belüftung. Die Temperatur sollte mindestens zehn Grad Celsius betragen.

Schlüsselkomponente USV

Bis der Generator hochgefahren ist, übernimmt bei Rechenzentren die USV die Stromversorgung. Üblich ist hier inzwischen die Online-USV, auch als Dauerwandler-USV, das Standardmodell: Strom wird im Gerät ständig von Wechsel- auf Gleichstrom und anders herum gewandelt, was zwar Abwärme und elektrische Verluste verursacht, aber für die angeschlossenen Systeme das Beste ist.

Dabei wird der Strom um Spannungsspitzen, Störimpulse und andere Ungleichmäßigkeiten bereinigt, so dass am Gerät stets eine optimale Stromqualität anliegt. Umschaltzeiten bei Stromausfall, wie sie bei den älteren Typen Offline- und Line-Interactive-USV auftreten, entfallen.

Breites USV-Angebot

Es gibt USV-Systeme in den unterschiedlichsten Leistungsklassen – von der Versorgung einzelner Server bis zum Aggregat für den gesamten Whitespace eines Datacenter-Abschnitts. Entscheidend ist jeweils der Strombedarf der zu versorgenden Systeme. In hochsicheren Rechenzentren werden USV-Anlagen doppelt ausgelegt. Hersteller sind beispielsweise ABB, Riello, Schneider, Eaton, Delta, Online USV-Systeme und viele andere.

Besonders hohe Qualitätsanforderungen, wie sie Krankenhäuser und andere medizinische Einrichtungen stellen, erfüllen so genannte BSVs (Batteriegestützte Stromversorgungen). Sie lassen sich mit Wechsel- und Gleichstrom betreiben.

Kleinere und mittelgroße Rechenzentren können unter Umständen auch ohne Generator auskommen, sondern eine gewisse Betriebszeit auch rein durch leistungsstarke Batterien puffern, wenn das Netz ausfällt.

Stromquelle Batterie

Die Batteriebänke, die die USV mit Überbrückungsstrom versorgen, bestehen auch heute meist noch aus Blei-Säure-Akkus. Dieser wartungsintensive Batterietyp wird heute zunehmend durch wartungsärmere ausgetauscht, etwa durch Blei-Gel-Akkus.

Modernere Alternativen wie die langlebigen, aber teureren Lithium-Ionen- Akkus verbreiten sich langsam. Neueste Alternative sind die besonders reaktionsschnellen und gut rezyklierbaren Zink-Nickel-Batterien (siehe: „Ein Beispiel aus Wyoming mit Flüssigkühlung und Solarfarmen; DC-Standorte: Wilde Berge statt Straßenschluchten“) müssen sich erst noch durchsetzen. Eine weitere längerfristige Alternative sind Natrium-Ionen-Batterien.

Je nach Betriebskonzept (mit/ohne Notstromaggregat) lassen sich Batterien für die Zeit, die nötig ist, um ein Rechenzentrum ohne Datenverluste herunterzufahren oder für die Zeitspanne, die das Notstromaggregat zum Hochfahren benötigt, auslegen.

Alternativen zur Batterie: eine Seltenheit

Alternativen zum Batteriestrom für die Erstversorgung sind beispielsweise Schwungräder oder schwere Massen, aber solche Aggregate kommen in der Praxis relativ selten vor. Noch selten findet man auch mit Gleichstrom versorgte Rechenzentren.

Gleichstrom-Technik würde die USV-Architekturen vereinfachen, da weniger Stromtransformationen zwischen Netz und Verbraucher nötig sind, und verringert so elektrische Verluste (siehe: „Ein neuer, altbekannter Weg der Stromversorgung; Mehr Datacenter-Effizienz durch Gleichstrom“ oder „Supraleitungs-Gleichstrom, Holz statt Beton und Stahl sowie ein neues Kühlkonzept; Paradigmenwechsel in der Datacenter-Architektur“ und „Warum nicht auf Gleichstrom wechseln und sparen? Stecker für die Koexistenz von AC und DC im Datacenter“ sowie „Ein exemplarisches Rechenzentrum bei Bachmann in Stuttgart Vaihingen; Gleichstrom spart fünf bis zehn Prozent Energie “.

Zusätzlich zur USV wird gelegentlich ein externer Bypass-Schalter (EBS) eingebaut. Mit ihm lässt sich von Batterie- auf direkten Netzstrombezug umgeschaltet, etwa wenn Wartungsarbeiten an der USV anstehen.

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