Effiziente Stromversorgungslösungen für höchst zuverlässige Rechenzentren

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1 Effiziente Stromversorgungslösungen für höchst zuverlässige Rechenzentren Dipl.-Ing. (FH) Markus Schomburg Director Applications Engineering EMEA Active Power (Germany) GmbH

2 Verfügbarkeit von Rechenzentren» Verfügbarkeit - Begriffsbestimmung» Geltung für alle Systeme im RZ Stromversorgung Kälteversorgung Sicherheitssysteme Brandschutz / Brandbekämpfung TIA 942 EN series» Vorschriften rechtlich SOX, BGB vertraglich SLAs sicherheitstechnisch BSI, ISO» Planungshilfen bzw. Standards ISO/IEC Uptime Institute mit der Tier-Klassifizierung ZVEI UPS Guide BITKOM Whitepaper Betriebssichere RZ EN im Entwurf TIA 942 2

3 Klassifizierung nach Uptime Institute Tier I Tier II Tier III Tier IV Versorgungswege aktiver 1 passiver 2 aktive Redundanz nein ja N+1 S+S oder 2(N+1) Räumliche Abschottung nein nein nein ja Gleichzeitige Wartung nein nein ja ja Fehlertolerant für extreme Ereignisse nein nein nein ja Verfügbarkeit in % 99,671 99,741 99,982 99,995 Nicht verfügbar für 28,82h 22,6884h 1,5768h 0,4380h Kontinuierliche Kühlung lastabhängig lastabhängig lastabhängig Class A Quelle: Uptime Institute

4 Herausforderungen - Technisch -» Anforderungen an Verfügbarkeit von RZ steigen IT wird immer wichtiger Netzwerktechnik braucht Hochverfügbarkeit» Anforderungen hochverfügbarer IT-Infrastrukturen Verfügbarkeit bis zu 99,999 %, also nur ca. 5 Minuten Downtime / Jahr Kurzzeitausfälle: USV-Systeme längere Ausfälle: Netzersatzanlage Schutz vor Spannungsstörungen» Stromverbrauch steigt mit Verfügbarkeit Redundante Stromkreise Redundante USV-Konfigurationen A Notstrom- Verbraucher A PDU A N G+ G 1 FUFO USV 1000 N+1 PDU PDU Dual Cord Loads G N G+ 1 FUFO USV 1000 N+1 PDU PDU PDU B Dual Cord Loads B Notstrom- Verbraucher B 4

5 Herausforderungen - Gesellschaftlich -» Gesellschaftliche Tendenzen hinsichtlich Stromverbrauch Umweltschutz / Energiewende weniger Strom verbrauchen für weniger CO 2 -Ausstoß sorgen steigender Strompreis» Mehr Verfügbarkeit weniger Stromverbrauch Verfügbarkeit darf nicht beeinträchtigt werden» Stellschrauben für Energieverbrauch der USV Wirkungsgrad Klimatisierungsbedarf Überbrückungszeit 5

6 Wirkungsgrad» Verhältnis von Ausgangs- zu Eingangsleistung hängt ab vom Basisbedarf der USV für Steuerung und Ladeerhaltung hängt ab vom Aufwand für Wandlungsprozesse für Energiespeicherung hängt ab von der Auslastung der USV» Energiespeicherung in Batterien kontinuierlicher hoher Aufwand für Wandlung Wechselstrom aus dem Netz in Gleichstrom für die Batterie und wieder in Wechselstrom für die angeschlossenen AC-Lasten» Einsatz im Rechenzentrum Teillastbetrieb ist Normalfall im RZ, Auslastung je nach Konfiguration zwischen ca. 30 und 50 Prozent» Einsparung durch Eco-Modus kann zulasten der Spannungsqualität am Verbraucher gehen Quelle: BITKOM, Leitfaden Energieeffizienz im Rechenzentrum 6

7 Klimatisierung» Batterie-USV Verlustleistung muss gekühlt werden je niedriger der Wirkungsgrad, desto mehr Kühlung erforderlich Umgebungstemperatur von 20 C bis 25 C für Batterien erforderlich» Kühlung einer 500-kVA-Anlage mit Batterien kostet ca Euro pro Jahr. 7

8 Überbrückungszeit» Bedarf Micro-Outages: 96 Prozent der Ausfälle unter einer Sekunde Dauer Längere Ausfälle: Netzersatzanlage muss Last innerhalb von 15 Sekunden versorgen» 10 bis 15 Minuten Klimatisierung wird von USV nicht versorgt Temperaturüberwachung schaltet Server ab Fehlersuche/-behebung innerhalb 15 Minuten unrealistisch Startversagen Diesel durch fehlerhafte Starterbatterie oder leeren Tank» Bedarfsgerechte kostensparende Überbrückungszeiten können mit Batterien nicht realisiert werden. 8

9 Wechsel der Speichertechnologie Schwungrad / Flywheel statt Batterie» Funktionsweise Das Flywheel speichert Energie in rotierenden Massen. Bei Netzausfall wird das Schwungrad zum Generator und speist die Last. Im Normalbetrieb bei Netzversorgung läuft die Flywheel- Einheit parallel zum Netz. Elektronik im Netzstromrichter beseitigt Spannungsstörungen. Ohne Netzversorgung oder bei unzulässigen Grenzwerten versorgt das Flywheel die Last. Längerer Stromausfall: USV fordert Diesel-Generator an. Generator liefert Strom über den Automatischen Transferschalter und speist die USV zur Versorgung der Last. Blindstrom 9

10 Beispiel - Normalbetrieb 10

11 Beispiel Netzausfall 11:36:16 11

12 Beispiel Diesel-Generator zugeschaltet 11:36:25 12

13 Beispiel Diesel Generator belastet 13

14 Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit» Flywheel-USV 7-fach geringere Fehlerrate als batterie-gestützte Systeme (MTechnology, Prüfinstitut, USA) verfügbare Kapazität jederzeit bestimmbar definierter und vorhersehbarer Ladezustand Lagertemperatur und Umdrehungszahl als relevante Parameter über 20 Jahre gleichbleibende Zuverlässigkeit keine Alterung durch Kurzentladungen keine Alterung durch Umgebungsbedingungen 14

15 Energieeinsparungen» Keine Klimatisierung erforderlich bis 40 C ohne Einschränkungen keine Verkürzung der Lebensdauer bei Temperaturüberschreitung» Hoher Wirkungsgrad geringer Basisverbrauch für Steuerung und Ladeerhaltung bei Volllast bis zu 98% bei Nennbedingungen gemäß EN bei 40% Last (typisch für A&B-Systeme) über 96% im Teillastbetrieb nicht unter 90%» Kurze Überbrückungszeit 250 kva mit 15 Sekunden pro Modul deckt Kurzzeit-Ausfälle und Generator- Anlaufzeit ab 15

16 USV-Technologien im Vergleich Batterie-USV Rotierende USV Flywheel-USV USV-Architektur Doppelwandlung parallel online parallel online Energiespeicher chemisch kinetisch kinetisch Wirkungsgrad 1 bis 92% bis94% bis 98% Platzbedarf 2 20qm 10qm 9qm Zuverlässigkeit befriedigend gut sehr gut Wartungsbedarf hoch hoch gering Modularität akzeptabel schlecht sehr gut CO 2 -Bilanz 3 95 Tonnen CO TonnenCO Tonnen CO 2 Gesamtkosten(TCO) Mio 20.6 Mio 8.5 Mio (1) bei 75% und höherer Last (2) für USV 500 kva (3) für 10-MW-Installation über 20 Jahre 16

17 Gesamtkostenanalyse im Vergleich» Kosten Einsparungen Stromkosten für Betrieb und Klimatisierung der USV Einsparungen beim Aufwand für Wartung und Service Einsparungen beim Gebäude» Umwelt Einsparungen CO 2 nachhaltiger Ressourceneinsatz durch lange Lebensdauer keine giftigen Inhaltsstoffe unproblematische Entsorgung TCO kw (1.500 kva) Leistung, 10 Jahre Doppelwandler- statische USV m USV mit Batterie Batterie Flywheel USV Gebäudekosten Service und Wartung Austausche Batterien Klima und lfd Stromverbrauch CapEx 17

18 Active Power Das Unternehmen» Das Unternehmen gegründet 1992 börsennotiert im NASDAQ (ACPW) Hauptsitz in Austin, Texas Niederlassungen in China, Großbritannien und Deutschland weltweit tätig Qualitätsmanagement nach ISO 9001» Der Erfolg mehr als Flywheels im Einsatz mehr als 700 MW installierte Leistung mehr als 100 Millionen Betriebsstunden branchenübergreifend in Rechenzentren, Produktionsanlagen, Infrastruktursystemen in mehr als 40 Ländern Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 18

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