Vertiv beim DataCenter Day 2018 - Rechenzentrumstechnik als Energiespeicher

Was USV-Systeme zur Energiewende beitragen können

| Autor / Redakteur: Reinhard Purzer* / Ulrike Ostler

In fast allen Rechenzentren lagern ungenutzte Energieressourcen, in den USV-Anlagen. Dabei gibt es längst Modelle und Techniken, die es erlauben, die Energiewende damit abzufedern und Versorgungslücken zu füllen.
In fast allen Rechenzentren lagern ungenutzte Energieressourcen, in den USV-Anlagen. Dabei gibt es längst Modelle und Techniken, die es erlauben, die Energiewende damit abzufedern und Versorgungslücken zu füllen. (Bild: © malp - stock.adobe.com)

Die Voraussetzungen für die Nutzung von USV-Systemen zur Energiespeicherung im Rahmen der Energiewende sind denkbar gut. Jetzt liegt es an den unterschiedlichen Betreibern von Rechenzentren und kritischen Infrastrukturen, also allen, die USV-Anlagen im Einsatz haben, dieses Einsatzszenario mit zusätzlichen Einnahmequellen für sich zu entdecken und bestmöglich zu nutzen.

Der Anteil der erneuerbaren Energien im deutschen Strommix soll von jetzt rund 38 Prozent bis zum Jahr 2030 auf einen Anteil von 65 Prozent steigen. So wurde es im Koalitionsvertrag der aktuellen Bundesregierung verabschiedet.

Doch das Ziel ist mit einigen Barrieren verstellt: Wasserkraft ist eine konstante, niedrige Größe im Anteil des Stroms aus erneuerbaren Energiequellen, in Deutschland aber mehr oder minder ausgeschöpft. Ein relevantes Wachstum ist hier nicht zu erwarten.

Wind- und Solarkraftwerke sind noch ausbaufähig, aber auch hier tun sich Hürden auf wie beispielsweise die Stromverteilung von Offshore-Windstrom von der Nordsee in den Süden des Landes: Die Bevölkerung will keine Stromtrassen in Form von Hochspannungsleitungen vor der Haustür haben. Vor allem aber liefern Solar- und Windkraftwerke wetterabhängig und daher sehr schwankend Energie.

Die Preise steigen

Das führt zu insgesamt noch höheren Strompreisen – und das bei Strompreisen von im Schnitt 17,20 Cent je Kilowattstunde (kWh) in 2018. Nach Italien haben wir hierzulande damit den höchsten Strompreis inklusive Steuern und Abgaben in Europa.

Wenn aber die restlichen Atomkraftwerke bis Ende 2022 abgeschaltet und zur Umsetzung der Klimaziele auch fossile Energiequellen wie Kohle- oder Gaskraftwerke vermehrt vom Netz genommen werden müssen – 2017 betrug der Kohlekraftanteil am Energiemix 39,8 Prozent – stellt sich die Frage: Könnte es neben höheren Strompreisen vermehrt zu Engpässen oder gar teilweiser Unterversorgung in Zeiten hohen Energieverbrauchs kommen?

Denn Energieverbrauch und -erzeugung müssen sich zur Aufrechterhaltung der benötigten Netzfrequenz von 50 Hertz die Waage halten. Wird zu wenig Energie erzeugt und die Frequenz sinkt auf unter 49,8 Hertz, braucht es Reserve- oder Regelleistung zum Ausgleich. Fällt die Frequenz unter 49 Hertz, muss stufenweise Netzlast abgeworfen werden. Ab 47,5 Hertz müssen Kraftwerke vom Netz genommen werden und der Blackout tritt ein.

Zudem ist der Energieverbrauch in Deutschland immer noch zu hoch – zumindest wenn man die Ziele der Bundesregierung betrachtet. Mit einer Energie-Effizienzstrategie möchte sie den Verbrauch bis 2020 um 20 Prozent und bis 2050 um 50 Prozent im Vergleich zu 2008 senken. Aber im Jahr 2017 betrug der Rückgang des Primärenergieverbrauchs (PEV) in Deutschland gerade einmal 6 Prozent gegenüber 2008. (Quelle: Umweltbundesamt) Wie also kann die Energiewende bei all diesen Herausforderungen dennoch gelingen?

Keine Energiewende ohne Energiespeicher

Wie so oft wird es wohl nicht eine große Lösung geben, sondern viele kleine Beiträge brauchen, die letztendlich zum Ziel führen. Eine vielfach propagierte Lösung ist die Energiespeicherung zu Zeiten hoher Stromerzeugung und die Einspeisung ins Netz bei wenig Wind und Sonne in Form von Regelleistung aus Energiespeichern – zur Stabilisierung des Netzes. Doch wie und wo kann Energie in großem Stil gespeichert werden?

Rechenzentrumstechnik, genauer gesagt statische Systeme für die Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV), sind dafür sehr gut geeignet. Sie werden bereits in großem Stil in jedem Rechenzentrum aber auch in sonstigen kritischen Infrastrukturen wie Krankenhäusern, Telekommunikationsunternehmen, Fabriken und Produktionsstätten, Bahnverkehr oder Ver- und Entsorgungsunternehmen eingesetzt, um die Stromversorgung bei Netzausfällen als Back-up aufrecht zu erhalten sowie Spannungsschwankungen auszugleichen und empfindliche Geräte und Anlagen zu schützen.

Der Autor Reinhard Purzer sagt: „Rechenzentren werden vom Stromverbraucher zum virtuellen Stromerzeuger.“
Der Autor Reinhard Purzer sagt: „Rechenzentren werden vom Stromverbraucher zum virtuellen Stromerzeuger.“ (Bild: Vertiv)

Die statischen Batterien

Statische USV-Systeme verfügen bereits über Batterien, um Strom zu speichern und bei Bedarf abzugeben. Mit einer entsprechenden Modernisierung und gegebenenfalls Batterie-Erweiterung können sie so gesteuert werden, dass sie Strom aus dem Netz speichern und bei Bedarf im eigenen Unternehmen nutzen – dabei bleibt die Back-up Funktion erhalten – oder ins öffentliche Netz einspeisen.

So entstehen insbesondere für Rechenzentrumsbetreiber neue finanzielle Möglichkeiten: einerseits, wenn sie gespeicherten Strom selbst nutzen und sich damit unabhängiger von den äußeren Rahmenbedingungen machen, andererseits, wenn sie gespeicherten Strom ins öffentliche Netz einspeisen können und dafür vergütet werden. Die USV-Anlage ist kein reines Back-up mehr, sondern bekommt eine zusätzliche, gewinnbringende Funktion. Rechenzentren werden so vom Stromverbraucher zum virtuellen Stromerzeuger.

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Vertiv und E.ON

Nun haben das Energieunternehmen E.ON und Rechenzentrumsausstatter Vertiv haben ihr Know-how auf dem Gebiet der Energielösungen für kritische Infrastrukturen zusammengeführt, damit die Betreiber kritischer Infrastrukturen wie Rechenzentren die Möglichkeit bekommen, ihre Energieinfrastruktur so zu modernisieren, dass sie am Regelenergiemarkt teilnehmen können. Bei dieser komplexen Lösung entwickelt und installiert Vertiv die technische Infrastruktur, während E.ON die Schnittstelle zum Energiemarkt bildet.

Das USV-System mit Batterie wird dabei Teil des virtuellen Kraftwerks von E.ON. Darin aggregiert das Energieunternehmen die verschiedenen Erzeuger und Verbraucher und übernimmt die Stromvermarktung. Rechenzentren sowie Gewerbe- und Industriekunden erhalten so einen garantierten Erlös, wenn sie gespeicherten Strom ins Netz einspeisen, oder können den gespeicherten Strom selbst nutzen und auf diese Weise Energiekosten einsparen.

Marktchancen für USV als Energiespeicher

Betrachtet man den globalen Markt für Battery Energy Storage Systems (BESS), zu denen auch USV-Anlagen, die Strom speichern, zählen, sind die Aussichten sehr positiv: 2024 sollen 81 Gigawattstunden (GWh) in Battery Energy Storage Systems (BESS) gespeichert werden, derzeit sind es gerade einmal 14,8 GWh. Und EMEA soll daran hinter APAC den zweitgrößten Anteil haben. (siehe Abbildung 1)

Abbildung 1: Globale Energiespeicherinstallationen mittels Battery Energy Storage Systems (BESS).
Abbildung 1: Globale Energiespeicherinstallationen mittels Battery Energy Storage Systems (BESS). (Quelle: Blomberg New Energy Finance - 2016)

Insgesamt soll der Markt für Energiespeicherung mittels USV im Jahr 2026 weltweit 3,5 GW umfassen beziehungsweise einen Umsatz von mehr als 2,5 Milliarden Dollar generieren. (Quelle: Navigant Research – 2018)

Worauf sollte man achten, wenn man USV-Anlagen als Energiespeicher einsetzen will?

  • 1. Batterie-Art: In kritischen Energie-Infrastrukturen werden heute häufig noch USV-Anlagen mit Bleibatterien eingesetzt. Im Zuge einer Modernisierung oder auch Neuanschaffung ist der Einsatz von Lithium-Batterien zu empfehlen. Sie sind kleiner, leichter und haben eine größere Anzahl von Lade-Entladezyklen. Neben einer längeren Lebensdauer erreichen Lithium-Batterien auch eine höhere Energiedichte und funktionieren in einem breiteren Temperaturbereich. Für den Einsatz am Energiemarkt sind Lithium-Batterien damit hervorragend geeignet.
  • 2. Größe und Flexibilität sowie Modularität und Skalierbarkeit: Je breiter eine USV-Anlage in Bezug auf die Größe einer Einheit ausgelegt ist – also von ein paar 100 Kilovoltampere (kVA) bis zu ein paar mVA – umso flexibler ist sie einsetzbar. Ist das System zudem modular und im laufenden Betrieb skalierbar, kann die Anlage jederzeit einfach erweitert werden. Das ist insbesondere von Vorteil, wenn man die USV als Energiespeicher erst einmal ausprobieren und später erweitern möchte, ohne dass es dabei zu Ausfallzeiten kommt.
  • 3. Wirkungsgrad: Je höher der Wirkungsgrad, vor allem auch bei geringen Lasten, desto besser die Energieeffizienz einer USV-Anlage und desto geringer die Verluste beim Speichern und wieder Einspeisen ins Netz.
  • 4. Wartung und Service: Je mehr mechanische Komponenten eine USV-Anlage enthält, desto intensiver ist sie in der Wartung. Statische USV-Systeme haben keine mechanischen Komponenten und sind in diesem Punkt eindeutig im Vorteil gegenüber rotierenden Anlagen, die zur Wartung teilweise zurück in die Fabrik müssen. Im Übrigen sollten USV-Systeme auch immer über ein integriertes Ferndiagnose-Tool verfügen, damit bei etwaigen Problemen nicht sofort ein Fachmann vor Ort sein muss und Reparaturen trotzdem schnell möglich sind.
  • 5. Stellfläche: Je weniger Stellfläche in Quadratmeter je Megawatt (MW) benötigt wird, umso besser ist die Raumnutzung möglich. Desto mehr Energie kann im Rahmen des verfügbaren Platzangebotes gegebenenfalls gespeichert werden.
  • 6. Gewicht: Je weniger des Gewicht der USV-Anlage pro MW Last beträgt, desto vorteilhafter ist das für den Transport und die Installation. Außerdem sind die Anforderungen an die Gebäudeausstattung geringer.
  • 7. Kosten: Je höher der Wirkungsgrad, gerade auch bei Teillast, ist, desto höher sind die Energie-Einsparung und geringer die Gesamtbetriebskosten.

Vertiv auf dem DataCenter Day 2018

In diesem Jahr findet der DataCenter Day am 23. Oktober im Vogel Convention Center (VCC) , Würzburg, statt. Mit einem Technology-Outlook dabei ist Vertiv, genauer: Stefan Rein. In seinem Beitrag geht es ab 12:50 Uhr um „USV Anlagen der Zukunft im Zeichen der Energiewende“. Mit diesem Artikel sollten Besucher gut vorbereitet sein und die richtigen Fragen stellen können.

* Reinhard Purzer ist Vice President & Managing Director für die Region Deutschland, Österreich und Schweiz bei Vertiv.

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