Mehr Effizienz durch neue USV-Anlagen in Rechenzentren

Mehrere Rechen-Recks stehen im geschlossenen Raum
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In Rechenzentren muss eine kontinuierliche unterbrechungs- und schwankungsfreie Stromversorgung gewährleistet werden, damit ein durchgängiger Serverbetrieb sichergestellt ist. Dies wird durch sogenannte USV-Anlagen (USV=Unterbrechungsfreie StromVersorgung) erreicht, die den IT-Komponenten vorgeschaltet sind. Dabei wird der Strom aus dem Netz über einen Gleichrichter in Gleichstrom und anschließend über einen Wechselrichter zurück in Wechselstrom transformiert. So kann sichergestellt werden, dass unabhängig von der eingehenden Spannung und Frequenz, für die Verbraucher des Rechenzentrums zu jeder Zeit eine stabile Spannung anliegt. Gleichzeitig wird im Transformationsprozess ein Teil des Gleichstroms in eine Batterie eingespeist. Im Falle einer Unterbrechung der Stromzufuhr, wie etwa bei einem Stromausfall, wird diese Zeit mit Strom aus der Batterie überbrückt, bis die Netzersatzanlage (NEA) hochgefahren ist und die Versorgung übernimmt. In der Regel sind USV-Anlagen redundant ausgelegt. Dies dient der Erhöhung der Versorgungssicherheit.

Optimierungspotenziale und mögliche Effizienzmaßnahmen

In den vergangenen Jahren konnte der Wirkungsgrad von USV-Anlagen deutlich verbessert werden. Neueste USV-Technologien weisen bei einer Auslastung von 40 % einen Wirkungsgrad von bis zu 98 % auf, während 10 bis 15 Jahre alte Anlagen bei gleicher Auslastung oftmals nur einen Wirkungsgrad von unter 92 % aufweisen. Da USV-Anlagen der gesamten IT-Last vorgeschaltet sind, bewirken bereits kleine Wirkungsgradverbesserungen eine hohe absolute Stromeinsparung. Weiterhin lässt sich die Effizienz einer USV-Anlage durch die Anpassung der installierten Leistung an den Lastbedarf erhöhen. Der optimale Lastbereich einer USV-Anlage liegt zwischen 40 bis 50 %. Bei einer Auslastung unter 20 % kommt es zu einem starken Wirkungsgradabfall und infolgedessen zu hohen Verlusten. Zudem wird durch eine effizientere USV-Anlage weniger Abwärme produziert, die durch Kältemaschinen abgeführt werden muss. Folglich können zusätzliche Stromeinsparungen bei der Kälteerzeugung erzielt werden.

Projektidee

In einem Rechenzentrum wurde eine IT-Last von 560 kW gemessen. Die installierte Leistung der USV beträgt 2.000 kW, da zum einen die geforderte Redundanz 2N beträgt, und die USV zudem ursprünglich für eine höhere Last ausgelegt wurde. Im Praxisbetrieb hat sich jedoch gezeigt, dass diese Last nicht benötigt wird, weshalb die USV aktuell bei einer Auslastung von ca. 28 % in einem eher ungünstigen Lastbereich mit einem Wirkungsgrad von 93 % betrieben wird. Bei der Neuauslegung der USV-Anlage wird die tatsächlich benötigte aktuelle Last berücksichtigt, und die installierte Leistung daher auf 1.500 kW verringert. Die neue, aus sechs 250 kW-Blöcken bestehende USV-Anlage ist hocheffizient und weist bei gleicher Auslastung einen Wirkungsgrad von 97 % auf. Aufgrund der angepassten installierten Leistung wird sie nun aber bei 37 % Auslastung in einem effizienteren Lastbereich betrieben als zuvor, was zu einer zusätzlichen Erhöhung des Wirkungsgrads auf 98 % führt. Zudem werden durch die neue Technologie weitere Verluste reduziert: Der Wirkfaktor, der die tatsächliche elektrische Leistung angibt, die für die Umwandlung in andere Leistungen (z.B. mechanische oder thermische) zur Verfügung steht, verbessert sich im Beispiel von 0,9 auf 1,0. Der Klirrfaktor (auch Total Harmonic Distortion, THDi-Wert genannt) verringert sich von 10 % auf 3 %. Er ist ein Maß für die Verzerrung eines sinusförmigen Wechselstromsignals durch Überlagerung von Schwingungen.

Im Projektbeispiel ergeben sich folgende Kosten für den Austausch der USV-Anlage:

  • Investitionskosten für die Effizienzsteigerung (Kosten für den Ersatz der alten USV durch sechs hocheffiziente 250 kW-Blöcke mit einer Batterieüberbrückungszeit von 5 - 10 Minuten) von rund 400.000 €,
  • Investitionsnebenkosten (für Installation, Messtechnik, Inbetriebnahme) in Höhe von rund 40.000 €,
  • und damit in Summe Investitionsgesamtkosten in Höhe von 440.000 €.

Von diesen Kosten können im Förderwettbewerb Energieeffizienz bis zu 50 % gefördert werden. Die tatsächliche Höhe der jeweils förderfähigen Kosten hängt letztlich davon ab, welchen Anteil an den Gesamtinvestitionskosten die effizienzbezogenen Kosten (Investitionsmehrkosten und -nebenkosten) aufweisen.

Ausführliche Hinweise zur Berechnung der effizienzbezogenen Kosten finden sich im Merkblatt „Allgemeine Hinweise zur Antragstellung“, welches auch unter „Mitmachen“ und „Antragstellung“ im Webauftritt des Förderwettbewerbs Energieeffizienz abrufbar ist.

Grundlegendes Kriterium für die Zulassung zum Wettbewerb ist, dass die Amortisationszeit des Projektes, berechnet aus den effizienzbezogenen Investitionskosten und der Summe der eingesparten Energiekosten, mindestens vier Jahre beträgt.

Im Projektbeispiel können mittels der eingesetzten hocheffizienten USV-Anlage jährlich 546 MWh eingespart werden. Durch die verminderten Verluste der USV wird zusätzlich eine Verringerung der Wärmeabgabe und somit eine Stromeinsparung seitens der Kälteversorgung von 154 MWh pro Jahr erreicht. Die Gesamteinsparung durch die Maßnahmenumsetzung beträgt somit 700 MWh bzw. 376 t CO2 pro Jahr. Bei einem Strompreis von 0,15 €/kWh amortisiert sich die Effizienzmaßnahme ohne Förderung nach über vier Jahren, mit maximaler Förderung bereits nach gut zwei Jahren.

Das zentrale Kriterium für die Förderentscheidung im Förderwettbewerb Energieeffizienz ist die je Fördereuro erreichte CO2-Einsparung pro Jahr („Fördereffizienz“). Diese liegt im beschriebenen Projekt bei der maximal möglichen Fördersumme von 220.000 € (50% Förderquote) und einer erwarteten Einsparung von 376 t CO2 pro Jahr bei etwa 585 € pro t CO2 und Jahr. Der Antragsteller kann aber selbst entscheiden, ob er eine geringere Förderquote wählt, somit seine Fördereffizienz verbessert und dadurch die Chancen im Wettbewerb um die Fördermittel erhöht.