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Energieversorgung
USV
Wichtig für den zuverlässigen Betrieb eines Rechenzentrums ist auch eine zuverlässige und gleichmäßige Stromzufuhr. Nicht nur richtige Stromausfälle, auch kleinere Spannungsschwankun-gen können die empfindliche IT-Hardware stören oder zum Ausfall bringen. Das öffentliche Stromnetz in Deutschland fällt im Schnitt eine Stunde im Jahr oder 10 Sekunden am Tag aus. Ein Server jedoch fällt schon nach 30 Millisekunden ohne Stromzufuhr aus. Ein Hardware-Ausfall man-gels Elektrizität bedeutet nicht nur eine zeitweise Unterbrech-ung des IT-Betriebs, sondern auch den Verlust noch nicht gesicherter Daten und Störungen in der Software, verursacht durch das Abschalten ohne vorheriges sachgemäßes Her-unterfahren.
Schutz davor bietet eine statische unterbrechungsfreie Stromversor-gung, kurz USV. Es gibt ver-schiedene Typen von USV-Anlagen, die zu unterschiedlichen Zwecken eingesetzt werden.
Zum einen gibt es so genannte Offline-Geräte, auch VFD (Voltage and Frequency Dependent) ge-nannt. USV-Anlagen dieser Kate-gorie leiten den Strom im Normal-betrieb direkt vom Eingang an den Ausgang weiter. Außerdem wird aus diesem Eingang ein Gleich-richter versorgt, der die Akku-mulatoren lädt. Sollte die Netz-versorgung abbrechen, werden die angeschlossenen Verbraucher auf einen Wechselrichter umgeschaltet, der aus den Akkumulatoren ge-speist wird. Je nach Modell erfolgt die Umschaltung zwischen Netz- und Batteriebetrieb mit einer Ver-zögerung von bis zu 10 Milli-sekunden. Für empfindliche Geräte kann dies bereits zu lange sein. Diese Systeme können auch nur einen kompletten Stromausfall überbrücken, Unregelmäßigkeiten in der eingehenden Netzspannung jedoch nicht ausgleichen. Darüber hinaus gibt es diese USV-Anlagen nur in einphasiger Ausführung, daher ist die Leistung auch nicht so hoch wie bei anderen, dreiphasigen Anlagen. Aus all diesen Gründen werden Offline-USV-Geräte nicht in Rechenzentren eingesetzt.
Zum anderen gibt es die so genannten Online-Geräte, auch VFI (Voltage and Frequency Inde-pendent) genannt. Diese gleichen zum einen Schwankungen im Netzstrom aus, zum anderen versorgt sie die EDV-Anlage mit Strom, wenn der Netzstrom ganz ausfällt. Diese Art von USV besteht deshalb aus zwei Komponenten: der Steuerungs- und Regeleinheit und einem Energiespeicher.
Die Steuerungs- und Regeleinheit nimmt die Wechselspannung des Eingangsnetzes auf und wandelt diese in Gleichspannung um. Diese Gleichspannung wird von der Lade-einheit benutzt, um den Energie-speicher aufzuladen. Außerdem wird die Gleichspannung in einem Transformator wiederum in eine gleichmäßige ein- oder dreiphasige Wechselspannung umgewandelt, die dann den nachgeschalteten Verbrauchern zugeführt wird. Da ein Online-Gerät immer mitläuft, haben solche Geräte überhaupt keine Unterbrechungszeit bei einem Stromausfall.
Solche Online-Geräte sind be-sonders ausfallsicher. Zum einen haben sie eine sogenannte Bypass-Schaltung, auf die unterbrechungs-frei umgeschaltet werden kann, wenn der Gleichrichter/ Wechsel-richter-Zweig überlastet ist. Zudem sind Gleichrichter und Wechsel-richter in solchen Anlagen auf Dauerbetrieb ausgelegt und des-halb besonders robust und hoch-wertig. Diese aufwändige Kons-truktionsweise schlägt sich aller-dings auch in den relativ hohen Anschaffungskosten nieder.
Außerdem treten sowohl bei der Gleich- als auch bei der Wechsel-richtung Verluste auf, was den Wirkungsgrad verringert. In den Produktbeschreibungen von USV-Anlagen ist in der Regel der Wirkungsgrad bei voller Last angegeben. Da die meisten USV aber nicht voll ausgelastet ein-gesetzt werden, sind die in der Regel niedrigeren Wirkungsgrade bei Teillast für die korrekte Be-rechnung des Stromverbrauchs
Schutz davor bietet eine statische unterbrechungsfreie Stromversor-gung, kurz USV. Es gibt ver-schiedene Typen von USV-Anlagen, die zu unterschiedlichen Zwecken eingesetzt werden.
Zum einen gibt es so genannte Offline-Geräte, auch VFD (Voltage and Frequency Dependent) ge-nannt. USV-Anlagen dieser Kate-gorie leiten den Strom im Normal-betrieb direkt vom Eingang an den Ausgang weiter. Außerdem wird aus diesem Eingang ein Gleich-richter versorgt, der die Akku-mulatoren lädt. Sollte die Netz-versorgung abbrechen, werden die angeschlossenen Verbraucher auf einen Wechselrichter umgeschaltet, der aus den Akkumulatoren ge-speist wird. Je nach Modell erfolgt die Umschaltung zwischen Netz- und Batteriebetrieb mit einer Ver-zögerung von bis zu 10 Milli-sekunden. Für empfindliche Geräte kann dies bereits zu lange sein. Diese Systeme können auch nur einen kompletten Stromausfall überbrücken, Unregelmäßigkeiten in der eingehenden Netzspannung jedoch nicht ausgleichen. Darüber hinaus gibt es diese USV-Anlagen nur in einphasiger Ausführung, daher ist die Leistung auch nicht so hoch wie bei anderen, dreiphasigen Anlagen. Aus all diesen Gründen werden Offline-USV-Geräte nicht in Rechenzentren eingesetzt.
Zum anderen gibt es die so genannten Online-Geräte, auch VFI (Voltage and Frequency Inde-pendent) genannt. Diese gleichen zum einen Schwankungen im Netzstrom aus, zum anderen versorgt sie die EDV-Anlage mit Strom, wenn der Netzstrom ganz ausfällt. Diese Art von USV besteht deshalb aus zwei Komponenten: der Steuerungs- und Regeleinheit und einem Energiespeicher.
Die Steuerungs- und Regeleinheit nimmt die Wechselspannung des Eingangsnetzes auf und wandelt diese in Gleichspannung um. Diese Gleichspannung wird von der Lade-einheit benutzt, um den Energie-speicher aufzuladen. Außerdem wird die Gleichspannung in einem Transformator wiederum in eine gleichmäßige ein- oder dreiphasige Wechselspannung umgewandelt, die dann den nachgeschalteten Verbrauchern zugeführt wird. Da ein Online-Gerät immer mitläuft, haben solche Geräte überhaupt keine Unterbrechungszeit bei einem Stromausfall.
Solche Online-Geräte sind be-sonders ausfallsicher. Zum einen haben sie eine sogenannte Bypass-Schaltung, auf die unterbrechungs-frei umgeschaltet werden kann, wenn der Gleichrichter/ Wechsel-richter-Zweig überlastet ist. Zudem sind Gleichrichter und Wechsel-richter in solchen Anlagen auf Dauerbetrieb ausgelegt und des-halb besonders robust und hoch-wertig. Diese aufwändige Kons-truktionsweise schlägt sich aller-dings auch in den relativ hohen Anschaffungskosten nieder.
Außerdem treten sowohl bei der Gleich- als auch bei der Wechsel-richtung Verluste auf, was den Wirkungsgrad verringert. In den Produktbeschreibungen von USV-Anlagen ist in der Regel der Wirkungsgrad bei voller Last angegeben. Da die meisten USV aber nicht voll ausgelastet ein-gesetzt werden, sind die in der Regel niedrigeren Wirkungsgrade bei Teillast für die korrekte Be-rechnung des Stromverbrauchs
und der Kosten entscheidend. Ein Wirkungsgrad von 92% bei voller Last kann heute als Standard für eine Online-USV bezeichnet werden. Bessere Werte finden sich in der Regel erst bei Geräten ab 7,5 kVA.
Solche USV-Typen werden auch mit den Begriffen „Online", „Double-Conversion", „Dauerbetrieb" oder "Doppelwandler" bezeichnet.
Ein weiteres wesentliches Merkmal einer USV ist die maximale Über-brückungszeit, die von der Kapa-zität der Akkumulatoren abhängt. Sie kann je nach Anforderung wenige Sekunden oder mehrere Stunden betragen. Computer in kleineren Rechenzentren werden bei einem Stromausfall automatisch heruntergefahren. Daher werden hier meist günstige, kleinere USV-Anlagen mit einer relativ kurzen Überbrückungszeit eingebaut, die ein ordnungsgemäßes Beenden al-ler laufenden Programme er-möglicht. Größere Rechenzentren haben Netzersatzanlagen; die Ver-sorgung aus Akkumulatoren dient hier nur dem Zweck, die Zeit zu überbrücken, bis diese gestartet sind und auf Nennleistung gebracht wurden.
Der Energiespeicher einer USV ist meist eine Batterie mit entspre-chend großer Speicherkapazität und hoher Zuverlässigkeit. Es gibt verschiedene Batterietypen, die sich hinsichtlich ihrer Betriebs-temperatur, ihrer Wartungsanfor-derungen, ihrer Speicherkapazität und ihrer Anschaffungskosten er-heblich unterscheiden. Andere Energiespeichermedien sind denk-bar, so können für bestimmte An-wendungen auch Superkonden-satoren und Brennstoffzellen ein-gesetzt werden, die im Leistungs-bereich bis ca. 50 kW wirtschaftlich eingesetzt werden können
Beim Einsatz von Batterien sollte darauf geachtet werden, diese immer regelmäßig vor Ablauf der Lebensdauer auszutauschen. Bei 10-Jahres-Batterien sollten die Ak-kus spätestens nach acht Jahren, bei 5-Jahres-Batterien sollten die Akkus nach spätestens vier Jahren komplett ausgetauscht werden, um einen Ausfall der USV-Anlage durch eine defekte Batterieanlage vorzubeugen. Des Weiteren ist die Umgebungstemperatur entschei-dend für die Lebensdauer der Bat-terien, hierbei sind Temperaturen von ca. 20-22°C ideal, Ab-weichungen können die Lebens-dauer drastisch herabsetzen. Zusätzlich ist der Aufstellraum der Batterien zu Be- und Entlüften.
Da sich hier in den letzten Jahren einiges an technischer Entwicklung getan hat, sollte der Betreiber zum Beispiel bei einem anstehenden Batterietausch darüber nachden-ken, ob es nicht günstiger ist, in eine neue USV mit entsprechend hohem Wirkungsgrad zu inves-tieren anstatt sich nur neue Akkus für eine veraltete USV zu kaufen. So kann man mit modularen USV-Anlage laufende Betriebskosten sparen, da sie mit geringerer Leistung bei gleicher Sicherheit laufen wie ein nicht-modulares redundantes System älterer Bauart.
Es werden heutzutage auch dyna-mische USV-Anlagen angeboten, welche den benötigten Strom aus kinetischer Energie gewinnen. Diese wird durch eine schwere Schwungscheibe geliefert, welche durch die Netzspannung ange-trieben wird und bei Stromausfall die gespeicherte Energie wieder abgibt. Jedoch ist dadurch die zeit-liche Überbrückung eines Strom-ausfalls nur begrenzt möglich. Deswegen werden diese Anlagen meist in Verbindung mit einem Diesel-Aggregat geliefert, um eine zeitraumunabhängige Stromver-sorgung gewährleisten zu können. Dabei ist zu beachten, dass die USV-Anlage nur den Zeitraum überbrückt, den das Diesel-Aggregat zum Anlaufen benötigt. Diese Art der USV-Anlage ist allerdings erst ab ca. 1.000 kVA wirtschaftlich sinnvoll einsetzbar.
Solche USV-Typen werden auch mit den Begriffen „Online", „Double-Conversion", „Dauerbetrieb" oder "Doppelwandler" bezeichnet.
Ein weiteres wesentliches Merkmal einer USV ist die maximale Über-brückungszeit, die von der Kapa-zität der Akkumulatoren abhängt. Sie kann je nach Anforderung wenige Sekunden oder mehrere Stunden betragen. Computer in kleineren Rechenzentren werden bei einem Stromausfall automatisch heruntergefahren. Daher werden hier meist günstige, kleinere USV-Anlagen mit einer relativ kurzen Überbrückungszeit eingebaut, die ein ordnungsgemäßes Beenden al-ler laufenden Programme er-möglicht. Größere Rechenzentren haben Netzersatzanlagen; die Ver-sorgung aus Akkumulatoren dient hier nur dem Zweck, die Zeit zu überbrücken, bis diese gestartet sind und auf Nennleistung gebracht wurden.
Der Energiespeicher einer USV ist meist eine Batterie mit entspre-chend großer Speicherkapazität und hoher Zuverlässigkeit. Es gibt verschiedene Batterietypen, die sich hinsichtlich ihrer Betriebs-temperatur, ihrer Wartungsanfor-derungen, ihrer Speicherkapazität und ihrer Anschaffungskosten er-heblich unterscheiden. Andere Energiespeichermedien sind denk-bar, so können für bestimmte An-wendungen auch Superkonden-satoren und Brennstoffzellen ein-gesetzt werden, die im Leistungs-bereich bis ca. 50 kW wirtschaftlich eingesetzt werden können
Beim Einsatz von Batterien sollte darauf geachtet werden, diese immer regelmäßig vor Ablauf der Lebensdauer auszutauschen. Bei 10-Jahres-Batterien sollten die Ak-kus spätestens nach acht Jahren, bei 5-Jahres-Batterien sollten die Akkus nach spätestens vier Jahren komplett ausgetauscht werden, um einen Ausfall der USV-Anlage durch eine defekte Batterieanlage vorzubeugen. Des Weiteren ist die Umgebungstemperatur entschei-dend für die Lebensdauer der Bat-terien, hierbei sind Temperaturen von ca. 20-22°C ideal, Ab-weichungen können die Lebens-dauer drastisch herabsetzen. Zusätzlich ist der Aufstellraum der Batterien zu Be- und Entlüften.
Da sich hier in den letzten Jahren einiges an technischer Entwicklung getan hat, sollte der Betreiber zum Beispiel bei einem anstehenden Batterietausch darüber nachden-ken, ob es nicht günstiger ist, in eine neue USV mit entsprechend hohem Wirkungsgrad zu inves-tieren anstatt sich nur neue Akkus für eine veraltete USV zu kaufen. So kann man mit modularen USV-Anlage laufende Betriebskosten sparen, da sie mit geringerer Leistung bei gleicher Sicherheit laufen wie ein nicht-modulares redundantes System älterer Bauart.
Es werden heutzutage auch dyna-mische USV-Anlagen angeboten, welche den benötigten Strom aus kinetischer Energie gewinnen. Diese wird durch eine schwere Schwungscheibe geliefert, welche durch die Netzspannung ange-trieben wird und bei Stromausfall die gespeicherte Energie wieder abgibt. Jedoch ist dadurch die zeit-liche Überbrückung eines Strom-ausfalls nur begrenzt möglich. Deswegen werden diese Anlagen meist in Verbindung mit einem Diesel-Aggregat geliefert, um eine zeitraumunabhängige Stromver-sorgung gewährleisten zu können. Dabei ist zu beachten, dass die USV-Anlage nur den Zeitraum überbrückt, den das Diesel-Aggregat zum Anlaufen benötigt. Diese Art der USV-Anlage ist allerdings erst ab ca. 1.000 kVA wirtschaftlich sinnvoll einsetzbar.
nicht-modulare USV
Für die Wirtschaftlichkeit einer USV sind neben den Anschaffungs-kosten auch die anfallenden Kosten bei einem potenziellen Ausfall so-wie die Betriebskosten während der gesamten Anlagenlaufzeit entschei-den. Bei nichtmodular aufgebauten, redundanten Systemen werden zwei identische Anlagen eingesetzt, um die gewünschte Ausfall-sicherheit zu erreichen. Fällt eine von beiden aus, könnte jede der beiden die volle benötigte Leistung liefern. Das bringt jedoch verschiedene Nachteile mit sich: Beide Anlagen laufen permanent, auch wenn im Normalfall nur eine benötigt wird. Sie arbeiten zudem im Teillastbetrieb mit einem geringen Wirkungsgrad. Und weil sich solche Systeme üblicherweise nachträglich schwer aufrüsten lassen, werden sie zudem bei der Planung oft überdimensioniert.
modulare USV
Modulare Systeme mit 19-Zoll-USV-Einschüben lassen sich n+1-redunant auslegen, das heißt, dass beim Ausfall eines Einschubs die verbleibenden Module die volle Leistung übernehmen. 120 kVA sichert man also nicht wie bei einer herkömmlichen redundanten USV mit zwei Anlagen von 120 kVA ab, sondern mit vier Modulen a´ 40 kVA. Bei diesem Konzept laufen alle Module bei optimaler Auslastung mit einem sehr hohen Wirkungsgrad. Dies wirkt sich positiv auf die Energiebilanz der USV aus.
Zugleich hat dieses Konzept einen positiven Einfluss auf die Anlagen-verfügbarkeit. Zwar fällt aufgrund der höheren Anzahl von Modulen öfter mal eins aus, als man das von einer konventionellen USV kennt, jedoch kann man dieses Modul bei manchen Herstellern sogar im lau-fenden Betrieb durch den An-wender selbst einfach austau-schen. Die Ausfallzeit des Moduls sinkt bei diesem Konzept erheblich gegenüber einer nichtmodularen Anlage. Im Vergleich ist eine modu-lare USV deshalb sicherer und weist eine höhere Verfügbarkeits-rate auf. Defekte Module können übrigens beim Hersteller meist wieder repariert und im laufenden Betrieb auch wieder eingesetzt werden.
Darüber hinaus müssen modularer USVs nicht sofort für die höchste zu erwartende Last ausgelegt werden, sondern können mit steigenden Leistungsanforderungen einfach mitwachsen.
Wichtig bei modularen Anlage ist, dass jedes Modul seinen eigenen Controller und seinen eigenen Bat-teriestrang hat, dadurch entstehen keine Single Point of Failure.
In Zeiten, in denen Umweltschutz und Effizienz eine große Rolle spielen, kann also der Austausch eines in die Jahre gekommenen USV-Systems sinnvoll sein. Gerade bei einschubmodularen Systemen rechnet sich die Neuanschaffung schnell.
Zum zuverlässigen Betrieb eines Rechenzentrums ist eine USV-Anlage also absolut notwendig, jedoch stellt sich die Frage, welcher Typ der jeweils richtige ist. Dabei ist die Größe und vor allem der Energieverbrauch des Rechen-zentrums zu bedenken, die räum-lichen Gegebenheiten, die maximal notwendige Überbrückungszeit und auch die Höhe des Budgets spielt eine Rolle. Wir beraten Sie gern bei der Auswahl der passenden USV-Anlage - Fragen Sie uns!
innovIT - CARES ABOUT IT
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Für die Wirtschaftlichkeit einer USV sind neben den Anschaffungs-kosten auch die anfallenden Kosten bei einem potenziellen Ausfall so-wie die Betriebskosten während der gesamten Anlagenlaufzeit entschei-den. Bei nichtmodular aufgebauten, redundanten Systemen werden zwei identische Anlagen eingesetzt, um die gewünschte Ausfall-sicherheit zu erreichen. Fällt eine von beiden aus, könnte jede der beiden die volle benötigte Leistung liefern. Das bringt jedoch verschiedene Nachteile mit sich: Beide Anlagen laufen permanent, auch wenn im Normalfall nur eine benötigt wird. Sie arbeiten zudem im Teillastbetrieb mit einem geringen Wirkungsgrad. Und weil sich solche Systeme üblicherweise nachträglich schwer aufrüsten lassen, werden sie zudem bei der Planung oft überdimensioniert.
modulare USV
Modulare Systeme mit 19-Zoll-USV-Einschüben lassen sich n+1-redunant auslegen, das heißt, dass beim Ausfall eines Einschubs die verbleibenden Module die volle Leistung übernehmen. 120 kVA sichert man also nicht wie bei einer herkömmlichen redundanten USV mit zwei Anlagen von 120 kVA ab, sondern mit vier Modulen a´ 40 kVA. Bei diesem Konzept laufen alle Module bei optimaler Auslastung mit einem sehr hohen Wirkungsgrad. Dies wirkt sich positiv auf die Energiebilanz der USV aus.
Zugleich hat dieses Konzept einen positiven Einfluss auf die Anlagen-verfügbarkeit. Zwar fällt aufgrund der höheren Anzahl von Modulen öfter mal eins aus, als man das von einer konventionellen USV kennt, jedoch kann man dieses Modul bei manchen Herstellern sogar im lau-fenden Betrieb durch den An-wender selbst einfach austau-schen. Die Ausfallzeit des Moduls sinkt bei diesem Konzept erheblich gegenüber einer nichtmodularen Anlage. Im Vergleich ist eine modu-lare USV deshalb sicherer und weist eine höhere Verfügbarkeits-rate auf. Defekte Module können übrigens beim Hersteller meist wieder repariert und im laufenden Betrieb auch wieder eingesetzt werden.
Darüber hinaus müssen modularer USVs nicht sofort für die höchste zu erwartende Last ausgelegt werden, sondern können mit steigenden Leistungsanforderungen einfach mitwachsen.
Wichtig bei modularen Anlage ist, dass jedes Modul seinen eigenen Controller und seinen eigenen Bat-teriestrang hat, dadurch entstehen keine Single Point of Failure.
In Zeiten, in denen Umweltschutz und Effizienz eine große Rolle spielen, kann also der Austausch eines in die Jahre gekommenen USV-Systems sinnvoll sein. Gerade bei einschubmodularen Systemen rechnet sich die Neuanschaffung schnell.
Zum zuverlässigen Betrieb eines Rechenzentrums ist eine USV-Anlage also absolut notwendig, jedoch stellt sich die Frage, welcher Typ der jeweils richtige ist. Dabei ist die Größe und vor allem der Energieverbrauch des Rechen-zentrums zu bedenken, die räum-lichen Gegebenheiten, die maximal notwendige Überbrückungszeit und auch die Höhe des Budgets spielt eine Rolle. Wir beraten Sie gern bei der Auswahl der passenden USV-Anlage - Fragen Sie uns!
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