Der Energieverbrauch beim Betrieb von Rechenzentren ist ein erheblicher Kosten- und Umweltfaktor. Neben dem Verbrauch der eigentlichen IT-Systeme schlagen die für den Betrieb des Rechenzentrums benötigten Infrastrukturlösungen wie Klimatisierung und unterbrechungsfreie Stromversorgung zu Buche – nach den Angaben des BITKOM mit rund der Hälfte der gesamten Energieaufnahme. Der Anteil, der auf die Stromversorgung entfällt, beläuft sich Schätzungen zufolge auf 6 bis 15 Prozent des Gesamtbedarfs. Investitionen in energieeffiziente USV-Systeme rechnen sich deshalb und leisten einen Beitrag sowohl zu Einsparungen bei den Betriebskosten als auch zur Verringerung von Umweltbelastungen.

USV-Systeme sichern die Versorgung kritischer Lasten bei Stromstörungen. Üblicherweise werden in Rechenzentren Doppelwandler eingesetzt, die Batterien als Energiespeicher nutzen. Hier sind zwei Faktoren für den Energieverbrauch ausschlaggebend: die Wandlungsprozesse, die bei der USV-Anlage im Zusammenhang mit der Energiespeicherung in Batterien anfallen, sowie der Energieverbrauch für die Klimatisierung; 20° bis 25° C gelten als ideale Umgebungstemperatur, damit die Lebenszeit der Batterien optimal genutzt werden kann.

Wandlungsprozesse kosten Strom

Doppelwandler verwandeln permanent Wechselstrom aus dem Netz in Gleichstrom, mit dem die Batterie versorgt wird, die dann die Energiezufuhr für die Last bei Ausfall des Primärnetzes aufrechterhält. Dafür muss der Gleichstrom für den Betrieb der angeschlossenen AC-Lasten wieder zu Wechselstrom konvertiert werden. Dieser zweifache Wandlungsprozess führt zu Verlusten, die als Wärme abgeführt werden. Weitere Verluste entstehen, da alle Typen von USV-Anlagen, vergleichbar mit einem Auto im Leerlauf, eine Basisleistung beispielsweise für Steuerung und Ladeerhaltung aufnehmen. Als Kennzahl fungiert der Wirkungsgrad als das Verhältnis von Ausgangs- zu Eingangsleistung unter festgelegten Betriebsbedingungen. Er beeinflusst nicht nur den Stromverbrauch für den Betrieb der USV, sondern auch die Kosten der Klimatisierung, da die Verlustleistung gekühlt werden muss.

Moderne Doppelwandler kommen heute ohne weiteres auf Werte von 95 Prozent und sogar darüber. Einen Teil der Effizienzverbesserung erzielen optimierte Stromrichterventile und digitale Komponenten in IGBT-Technik (Isolated Gate Bipolar Transistor). Weitere Gewinne resultieren aus dem so genannten Eco-Modus, dem Betrieb der USV über den Bypass, allerdings unter Verzicht auf Funktionen der Spannungsaufbereitung. Ein guter Wirkungsgrad kommt jedoch nur bei einer Auslastung der USV von 70 bis 90 Prozent zum Tragen. Wird die Last, wie im Rechenzentrum üblich, auf zwei oder mehr Anlagen aufgeteilt, sinkt der Wirkungsgrad fast direkt proportional zur Last, denn der Basisbedarf bleibt unabhängig davon bestehen. Messungen im Praxisbetrieb, die das Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) an batterie-gestützten USV-Systemen im Normal-Modus vorgenommen hat, zeigen Werte von meist 80 bis 90 Prozent bei einer Belastung von 33 Prozent.

Kinetik statt Chemie

Eine Alternative zur Energiespeicherung in Batterien sind USV-Techniken, die einen geringeren Aufwand für die Wandlungsprozesse betreiben müssen und temperaturunempfindliche Energiespeicher nutzen. Dafür kommen Schwungräder (Flywheels) in Frage, die Energie in rotierenden Massen speichern. Diesen Ansatz hat Active Power für das USV-System „CleanSource UPS“ aufgegriffen und optimiert. Der Wirkungsgrad der flywheel-basierten USV-Systeme liegt den LBNL-Untersuchungen zufolge bei 98 Prozent bei optimalen Lastbedingungen und sinkt selbst bei ungünstigen Lastverhältnissen von 33 Prozent nicht unter 95 Prozent.

Bei Schwungrad-USV-Systemen dreht sich das Schwungrad im Normalbetrieb mit gleichbleibender Geschwindigkeit; die Last wird aus dem Versorgungsnetz gespeist. Wird dieser Stromfluss unterbrochen, Wird dieser Stromfluss unterbrochen, arbeitet das magnetische Feld des rotierenden Schwungrades als Generator, der die kinetische Energie in elektrische Energie umwandelt. Liegt wieder Spannung vom Versorgungsnetz an, schaltet das System sowohl die Last als auch das Schwungrad für die Wiederaufladung auf das Versorgungsnetz zurück. Außerdem bereinigt es sämtliche von IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) aufgeführten Netzstörungen. Für ihre Erkennung werden Verfahren genutzt wie die Messung des Spannungseffektivwertes, die Abfrage der Eingangsspannung und die Messung von Änderungen der DC-Bus-Spannung. Bei einer Überschreitung der Grenzwerte erfolgt die Umschaltung auf die Versorgung über das Schwungrad absolut unterbrechungsfrei ohne jegliche Verzerrung der Ausgangspannung.

Kurze Ladezeiten

Das Fehlen elektro-chemischer Prozesse wirkt sich auf  Klimatisierungsbedarf, Lebensdauer und Ladezeit aus. Flywheel-USV-Systeme arbeiten ohne Einschränkungen im Temperaturbereich von 0° C bis 40° C. Bei Batterien verbraucht jeder Lade- und Entladezyklus Material, die Batterien altern, sie verlieren an Kapazität und müssen ausgetauscht werden. Außerdem beanspruchen die Prozesse Zeit; die Ladezeit einer Batterie kann mehrere Stunden betragen, in denen die Last bei einem Ausfall der Netzversorgung nicht ausreichend versorgt werden kann. Das Schwungrad ist alterungsbeständig und  übersteht eine unbegrenzte Anzahl von Lade- und Entladezyklen ohne Leistungseinbußen – ein Vorteil insbesondere in Regionen mit zahlreichen Kurzzeit-Ausfällen. Kurze Ladezeiten von wenigen Sekunden bis zwei Minuten je nach Entladungstiefe stellen sicher, dass die Last auch bei mehreren Ausfällen in schneller Folge kontinuierlich versorgt wird. Die volle Ladungskapazität hat das Schwungrad bei 7.700 Umdrehungen pro Minute erreicht, einsatzbereit ist die USV bei 4.000 Umdrehungen pro Minute.

Überbrückungszeit

In IT-Stromversorgungssystemen, die Hochverfügbarkeit für kritische Verbraucher sicherstellen sollen, müssen Dieselgeneratoren längere Netzausfälle überbrücken. Die Startbedingungen für Notstromaggregate liegen je nach Land zwischen 12 und 15 Sekunden für den Volllastbetrieb. USV-Systeme mit Schwungradtechnologie sind für das Startverhalten der Dieselaggregate ausgelegt und überbrücken die Startzeit des Dieselgenerators.

Da das Schwungrad-Verfahren sehr kurzfristig hohe Energiemengen bereitstellen kann, eignet es sich für die zuverlässige Absicherung großer Lasten bei Kurzzeitausfällen: neben Rechenzentren ab BITKOM-Kategorie C bzw. Tier III auch Produktionsprozesse oder Infrastruktursysteme. Erhältlich sind Flywheel-Anlagen im Leistungsbereich ab 250 kVA, also auch schon für kleinere Rechenzentren mit 20 bis 25 Racks. Je nach Leistung der USV-Anlage sind ein oder mehrere Schwungräder in den Schrank integriert, der kaum mehr Platz braucht als eine herkömmliche USV-Anlage ohne die dazugehörigen Batterien. Im Unterschied zu fest verbundenen Einheiten aus Dieselgenerator und Schwungrad-USV, die für einen Neubau oder eine großen Erweiterung eine Option darstellen, kommen Stand-alone-Systeme darüber hinaus auch für Modernisierungen in Frage, da sie mit einem bereits bestehenden Diesel kombiniert und in kleinen Schritten an das Wachstum der Last angepasst werden können.

Kosten und Einsparungen

Schwungrad-USV-Anlagen sind teurer als USV-Anlagen derselben Leistungsklasse in herkömmlicher Bauweise. Trotzdem machen sie sich innerhalb kurzer Zeit bezahlt durch Einsparungen insbesondere bei den Kosten für Batterien und bei den Stromkosten. Die Batterien für eine Überbrückungszeit von 15 Minuten kosten 20.000 €, in den etwa zehn bis zwölf Jahren Lebenszeit einer USV-Anlage fallen für einen Batterie-Tausch mindestens ca. weitere 20.000 € an. Schwungräder sind auf eine Lebenszeit von bis zu 20 Jahren ausgelegt und können so lange genutzt werden wie die USV-Anlage, in die sie eingebaut sind. Ihre lange Lebenszeit sorgt nicht nur für einen nachhaltigen Umgang mit den für den Bau des Systems aufgewendeten Ressourcen, sondern schiebt für das Unternehmen den Erneuerungsaufwand um 5 bis 10 Jahre gegenüber batteriegestützten Anlagen hinaus. Verschleißteile sind die Schwungrad-Lager, die alle drei Jahre ausgetauscht werden sollten. Sie sind als Lagerkassetten ausgebildet und können mit wenigen Handgriffen unter laufendem Betrieb gewechselt werden. Einmal im Jahr sollte die Anlage gewartet werden; für statische USV-Anlagen wird ein mindestens halbjährlicher Wartungsrhythmus empfohlen.

Die Kosten für die Kühlung der Batterien einer 500-kVA-Anlage belaufen sich auf ca. 15.000 Euro pro Jahr. Geht man bei einer Schwungrad-USV von einen um vier Prozentpunkte höheren Wirkungsgrad gegenüber einem Doppelwandler aus, liegen die Einsparungen für den Betrieb der USV im Jahr bei rund 380.000 kWh bzw. 45.600 Euro. Auch die Umwelt profitiert: Der CO2-Ausstoß vermindert sich um bis zu 273 Tonnen jährlich. Umweltbelastungen, wie sie bei der Produktion und Entsorgung der in Batterien verwendeten giftigen Inhaltsstoffe entstehen, entfallen.