Die Energieeffizienz bei der Umwandlung von Wechsel- in Gleichstrom lässt sich dadurch verbessern, indem man die nötigen Umwandlungsschritte reduziert, wenn der Netzstrom innerhalb eines zulässigen Toleranzbereichs liegt. Sobald eine Anomalie im Versorgungsnetz auftritt, die die Last der Server und Anlagen in Rechenzentren beeinträchtigt, wechselt die multimodale USV in Millisekundenschnelle auf den Doppelwandlermodus (Bild 1).
Viele offene Fragen erschweren Entscheidung
Die Energieeffizienz bei multimodalen USV liegt dabei zwischen 98 und 99 Prozent – reine Doppelwandlertechnologien arbeiten zwischen 92 bis 96 Prozent. Die multimodalen USV-Architekturen versprechen also erhebliche Einsparungen bei den betrieblichen Aufwendungen für Rechenzentren. Dennoch gibt es innerhalb der Branche Diskussionen über die Risiken und Vorteile von Energieeffizienz im Vergleich zu Zuverlässigkeit und Qualität bei der Stromversorgung. Ist die Technologie für das Umschalten bzw. die Übertragung stabil und schnell genug, um die Last zu schützen? Hat eine Verbesserung der Energieeffizienz um vier oder fünf Prozentpunkte Einfluss auf die Betriebskosten über den gesamten Lebenszyklus hinweg? Werden ausreichend multimodale USV in den Rechenzentren bereitgestellt, um, rein statistisch gesehen, Einfluss auf den ROI (Return on Investment) zu haben?
Im Bereich Critical Power arbeitet GE schon seit Langem mit hocheffizienten Lösungen für die Stromversorgung. Die eBoost-USV-Technologie – ein multimodales USV-Konzept – wird weltweit in vielen Rechenzentren eingesetzt. Dennoch bieten die Fragen zur hocheffizienten USV interessantes Diskussionspotenzial, wie im Folgenden zu lesen ist.
Multimodale Übertragungsgeschwindigkeit
Grundvoraussetzung für jede multimodale USV ist der Ausgleich und die Optimierung der Zeiträume, in denen stabile und saubere Energie aus dem Versorgungsbetrieb stammt und effizient umgewandelt werden kann, um die Last aufrechtzuerhalten bzw. in denen eine Anomalie in der Leistung der USV einen Wechsel in den Doppelwandlermodus erfordert. Letzteres stabilisiert zwar die Leistung, beeinträchtigt jedoch die Gesamteffizienz der Stromversorgung.
Was ist demnach die optimale Umschalt- oder Wechselzeit? In früheren White Papers und Blogs nahm man an, dass alle Werte über 8 bis 10 ms problematisch sind, da die empfindlichen Anlagen wie die Server in vielen Rechenzentren keine Toleranzen für Werte auf oder über diesem Niveau aufweisen. Laut einem White Paper von Green Grid zum Thema Multimodus «... ist die USV möglicherweise nicht dazu in der Lage, IT-Anlagen zu unterstützen, wenn eine USV beispielsweise eine Übertragungszeit von mehr als 10 ms aufweist und die IT-Anlagen mit Durchfahrkapazitäten von maximal 10 ms versorgen soll.»
Innovationen erlauben kurze Umschaltzeiten von 2 ms
Das ist einer der Gründe für einige Unternehmen, einschliesslich GE, ihre multimodale USV auf Umschaltzeiten von weniger als 2 ms auszulegen. Die Technologien, mit deren Hilfe diese extrem kurze Zeit erreicht werden, sind nahtlos, stellen jedoch eine komplexe Kombination aus der Erkennung von Störungen, Analysen und Steuerungssystemen dar.
Wenn die vorausschauenden Überwachungstechnologien von eBoost auch nur die geringste Abweichung auf dem Haupt- oder Bypass-Weg feststellen, wird der Wechselrichter sofort aktiviert, um die Stromversorgung durch den hochwertigen Doppelwandlerschutzmodus zu ermöglichen. Im selben Schritt wird der statische Wechsel auf dem Bypass-Weg vom Versorgungsbetrieb deaktiviert, damit die Störung die Last nicht beeinträchtigt. Verschiedene patentierte Innovationen sorgen dafür, dass der Prozess des Umschaltens von multimodal auf den Doppelwandlermodus bei der eBoost-Technologie von GE in weniger als 2 ms erfolgt.
Zahlreiche Analysegeräte überwachen Störungen
Eine Vielzahl an Analysegeräten für Störungen, einige davon mit GE-Patent, wird kombiniert eingesetzt, so z. B. ein adaptiver Spannungsprüfer für spontane Fehler, der kleinste Veränderungen bei Amplitude und Haltezeit überwacht, ein Spannungsprüfer für Fehler beim quadratischen Mittelwert (RMS), der den RMS der drei USV-Ausgangsspannungen bei Varianzen berechnet, oder ein Kurzschlussprüfer für die Ausgangsspannung, der, sobald ein Trennschalter ausgelöst wird, den Leitungsstrom automatisch erhöht, um den Trennschalter schnell freizugeben und zurückzusetzen. Eine hochentwickelte, transiente Wechselrichtersteuerung wickelt die Übertragung der Last auf den Wechselrichterstrom und wieder zurück auf den Bypass-Weg schnell ab.
Alle diese fortschrittlichen Überwachungs- und Kontrollsysteme arbeiten Hand in Hand, um eine umfangreiche Palette an potenziellen Szenarien bei der Stromversorgung vorherzusehen und darauf zu reagieren und das bei einer Übertragungszeit von weniger als 2 ms bei einem Wechsel. Diese Geschwindigkeit erlaubt die Steigerung der intermittierenden Übertragung auf Doppelwandlerschutz bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer höheren multimodalen Effizienz über die Mehrheit der Zeiträume, wenn der Netzstrom fliesst.
Steht der Multimodus für ungeschützten Netzstrom?
Einige Leiter von Rechenzentren befürchten, dass sie ihren leitenden Angestellten, die jeglichem Risiko ablehnend gegenüberstehen, nur schwer vermitteln können, dass sie kritische Prozesse über eine multimodale USV laufen lassen sollen, da dies bei einigen USV-Lieferanten über eine Bypass-Leitung des Versorgungsbetriebs läuft. Bei GE integrieren die Konstrukteure einen Reaktor für die Bypass-Leitung, der elektrisch mit dem Ausgangsfilterstromkreis gekoppelt ist und der Übertragungskorrektur dient, während die USV multimodal arbeitet (eBoost).
Diese Übertragungskorrektur schützt vor zu vielen Einschwingvorgängen auf niedriger Stufe bei der Versorgungsquelle und reduziert daher die Anzahl der potenziellen Übertragungen auf den USV-Wechselrichter. Mehr als 98 Prozent der Anomalien bei Netzstrom entstehen durch Spannungsschwingungen, diese Funktion ist demnach sehr nützlich. Die anderen zwei Prozent der Anomalien entstehen durch Spannungsabfälle und Stromausfälle. Für diese sind der Doppelwandlermodus und der Netzausfallschutz des USV-Systems zuständig.
Sind die Prozentzahlen entscheidend?
Ein drittes Argument bezüglich der multimodalen USV, das man in der Branche häufig zu hören bekommt, ist «warum das Risiko für ein paar Prozentpunkte mehr bei der Effizienz eingehen, wenn unsere USV mit Doppelwandler uns jetzt bereits eine Effizienz von bis zu 93 Prozent bietet? Bringt diese zusätzliche Energieeffizienz erheblich mehr Gewinn ein?» Gehen wir von einer USV-Bereitstellung für ein branchenübliches Rechenzentrum mit einer Leistung von 10 MW aus, die nur ein Prozent mehr Effizienz hat, dann sehen wir über einen Zeitraum von zehn Jahren einen erheblichen Einfluss. Wie Bild 2 zeigt, ergibt die Evaluation der Gesamtbetriebskosten (TCO – Total Cost of Ownership) bei den Kosten für den Betrieb einer USV über 10 Jahre und fixen Kapitalkosten eine Einsparung der betrieblichen Aufwendungen von 1,4 Millionen Franken, wenn die Energieeffizienz um einen Prozentpunkt – von 93 auf 94 Prozent – verbessert wird. Bei neueren multimodalen USV-Technologien, die eine Effizienz von bis zu 96,5 Prozent liefern, könnten diese Einsparungen sich sogar auf fast 4,8 Millionen Franken belaufen.
Nachdem die Leiter von Rechenzentren ständig nach Möglichkeiten suchen, ihre Betriebskosten zu senken, und die Hosting-Unternehmen in allen Bereichen ihres Betriebs sparen müssen, um bei ihren Preisen wettbewerbsfähig bleiben zu können, spielen diese Prozentzahlen eine entscheidende Rolle.
Feldversuche belegen Ergebnisse
Wenn multimodale oder Eco-Modus-Technologien in Magazinen, auf Konferenzen und in Industrieverbänden besprochen werden, sind sich praktisch alle einig, dass Multimodus der richtige Weg für die Zukunft bei allen USV-Lösungen ist. Einige Personen warnen noch immer davor, dass es nicht genügend Laufzeitdaten für Anwendungsfälle gibt. Wir haben jedoch andere Erfahrungen gemacht.
GE führte von März 2010 bis März 2013 zwei Feldversuche durch, die Zugewinne bei der Effizienz von Rechenzentren in Atlanta und Louisville zeigten. Die Einrichtung in Atlanta wurde mit zwei USV-Systemen der SG-Reihe von GE mit 300 kVA ausgestattet und war über 25 000 Stunden mit einer USV-Zuverlässigkeit von 100 Prozent in Betrieb – 98 Prozent der Zeit liefen die Systeme im eBoost-Modus. Das Rechenzentrum in Louisville wies bei mehr als 21 000 Stunden Betriebszeit ebenfalls eine USV-Zuverlässigkeit von 100 Prozent auf. Hier waren vier USV-Systeme der SG-Reihe von GE mit 750 kVA im Einsatz und die Systeme liefen 95 Prozent der Zeit im eBoost-Modus. Auch Schweizer Kunden setzen vermehrt auf die eBoost-Technologie und lassen ihre Lasten durch USV-Anlagen von GE schützen. Dabei setzen sie ihr Vertrauen in eine Firma, welche in der Schweiz im nächsten Jahr ihr 50-jähriges Jubiläum in Entwicklung und Betrieb von USV-Anlagen feiert. Erst kürzlich unterstützte GE die Firma CoreSpace, ein Provider von Rechenzentren, Clouds und Hosting-Services, dabei, ihr Rechenzentrum in Dallas, auf eine zentralisierte Stromverwaltung und die USV-Architektur umzustellen. Sie verwenden ein dreiphasiges USV-System der SG-Reihe von GE mit 500 kVA, das im energie- effizienten eBoost-Modus läuft. Seit der Umstellung liefert die USV eine Energieeffizienz von 99 Prozent. eBoost erlaubt so jährlich eine Energieeinsparung von 24 800 Franken.
Da sich die multimodale Technologie stetig weiterentwickelt und immer mehr Bereitstellungen zu deutlichen Steigerungen bei der Leistung und den ROI-Ergebnissen führen, gehen wir davon aus, dass die Diskussionen über diesen Ansatz der effizienzsteigernden Energieumwandlung fortdauern werden. Wir bitten die Branche darum, sich aktiv an diesen Diskussionen zu beteiligen, indem sie Beiträge wie diesen hier kommentieren, ihre Ideen in Industrieforen teilen und neue Daten und Ideen veröffentlichen, damit neue Ansätze für die Leistungseffizienz von Rechenzentren entstehen können.
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