Nachhaltigkeit in der elektrischen Versorgung von RechenzentrenGroße Potenziale zur Effizienzsteigerung

Der Gesetzgeber in Deutschland schreibt vor, dass Rechenzentren bis zum Jahr 2027 nachhaltig und klimaneutral betrieben werden müssen. Das stellt Betreiber vor eine große Herausforderung, denn viele wissen nicht, wie der Ist-Zustand ist und vor allem nicht, welche Energieeinsparpotenziale in ihrem Rechenzentrum steckt. Über 50.000 solcher Zentren gibt es in Deutschland. Die Zahl wird in den kommenden Jahren weiter steigen, denn der Bedarf an Rechen- und Speicherleistung steigt stetig an.

Ein nachhaltiger Bau eines Rechenzentrums muss auch an der umfassenden Planung der elektrotechnischen Versorgung ansetzen. Hier lassen sich für Betreiber in Zusammenarbeit mit externen Partnern an den passenden Stellschrauben gezielt Optimierungen vornehmen, um Energie einzusparen. Damit erfüllt der Betreiber nicht nur die Anforderungen des Gesetzgebers, sondern kann schließlich auch Betriebskosten signifikant minimieren.

Dabei lässt sich z. B. schon anhand einer optimalen Anordnung der einzelnen elektrotechnischen Komponenten Energie einsparen. Dazu gehört auch eine durchdachte Planung, bei der Ingenieurs-Knowhow und intelligente Software-Lösungen zum Einsatz kommen müssen.
„Eine vernünftige Elektroplanung für Rechenzentren sorgt für hohe Energieeffizienz und für ein erhebliches CO₂-Einsparungspotenzial“, unterstreicht Diplom-Ingenieur Martin Vogt. Der Leiter Technik des Kölner Beratungs- und Planungsbüros High Knowledge, das sich als innovativer Lösungsentwickler auf die nachhaltige Rechenzentrumsplanung mit Klimaneutralität als Ziel spezialisiert hat, hat jahrelange Erfahrung im Bereich der Planung und Projektierung von Rechenzentren und der Rechenzentrumsinfrastruktur.

Dabei müssen alle Komponenten und Aspekte der elektrischen Versorgung von Rechenzentren genau analysiert und geplant werden. Dies fängt beim Einsatz eines Notstromdiesel-Aggregats an und hört bei der effektiven Nutzung der Messtechnik auf. Für viele Komponenten ergibt sich ein großes Einsparpotenzial bei einer durchdachten Planung und einem effizienten Einsatz.

So wandelt beispielsweise der Transformator die Spannung von 20.000 Volt auf 400 Volt herunter. Dies benötigt bei diesem Vorgang eine große Menge an Energie, die verloren geht. Moderne Transformatoren verfügen über reduzierte Leerlauf- und Lastverluste, wodurch diese eine weit höhere Effizienz aufweisen. Mit Effizienz-optimierten Transformatoren können bis zu 50 Prozent Energie eingespart werden, da sich beispielsweise die Lastverluste exponentiell zur Belastung verhalten.

Auch Notstromdiesel-Aggregate benötigen zunächst mindestens 20 Sekunden, ehe sie volle Leistung erbringen. Moderne USV-Anlagen sind dabei um ein Vielfaches schneller im Einsatz und sorgen so für eine sichere Stromversorgung im Rechenzentrum.

Startpunkt durchdachte Planung

„Um klimaneutral ein Rechenzentrum zu betreiben, müssen neue Wege eingeschlagen werden: Weg von der immer noch weit verbreiteten Blei-Batterie, hin zu neuen Technologien wie beispielsweise Super-Kondensatoren“, fordert Vogt. „Dazu gehört aber auch, dass man die Anlage genau prüft, analysiert und plant.“

So sollte schon vorher bedacht werden, wie sich die Abwärme sinnvoll nutzen kann. Denn allzu oft wird diese ungenutzt in die Atmosphäre abgegeben. Dabei könnte Abwärme zum Heizen von Gebäuden sinnvoll genutzt werden. Diese Rahmenbedingungen schreibt der Gesetzgeber in seinem Energieeffizienzgesetz (EnEfG) mittlerweile sogar vor.

Es ist wichtig, dass alle Komponenten der elektrischen Versorgung in einem Rechenzentrum räumlich nah beieinanderliegen, denn dann kann auch die Energie effizient und ohne Verluste übertragen und genutzt werden. Wird elektrische Energie über lange Kabelstrecken verteilt, geht viel Energie verloren. Denn fließt Strom durch eine Leitung, trifft er auf Widerstand. Das ist nicht nur leistungsmindernd, es wird auch Wärme – wie bei einer Heizung – erzeugt.

Diese Abwärme „verpufft“ und kann nicht für den Betrieb des Rechenzentrums genutzt werden. Deshalb sind mehrere, kürzere Trassen und eine optimierte Führung oftmals sinnvoller und energieeffizienter. „Eine große Haupttrasse ist auf den ersten Blick vielleicht besser und einfacher zu planen, ist aber im Endeffekt ineffizient“, unterstreicht Vogt. Er rechnet vor: „Werden beispielsweise 20 Ampere über zwei kürzere Trassen geschickt, liegt der Verlust bei rund 50 Prozent verglichen wenn die gleiche Leistung über eine lange Trasse übertragen wird.“ Dieser relativ einfache physikalische Zusammenhang von elektrischer Leistung, Widerstand und Strom wird oftmals nicht berücksichtigt.

Alles im Blick haben

Zudem wird der Messtechnik in vielen Fällen zu wenig Beachtung geschenkt. Diese muss sinnvoll und nachvollziehbar aufgebaut sein. Das bedeutet, dass die gemessenen Werte auch regelmäßig als gut verständlicher Report zur Verfügung stehen müssen. Auch dieser Punkt muss in der Planung genau bedacht werden. Der Betreiber des Rechenzentrums muss automatisierte Reporte erhalten, sodass er immer genau über den Energieverbrauch und Effizienz informiert ist.

Für eine nachhaltige, elektrotechnische Versorgung des Rechenzentrums müssen die Parameter sicher feststehen und Antworten auf Fragen wie zum Beispiel „Wie groß wird das Rechenzentrum?“ oder „Wie viel Energie wird für diese Größe exakt benötigt?“ vor dem Bau gefunden werden. Wird in der Planung etwas falsch berechnet und angeordnet, können diese Fehler kaum mehr im späteren Betrieb korrigiert werden.

Passendes Rüstzeug für energieeffizienten Betrieb

Für eine erfolgreiche Planung der elektrotechnischen Versorgung bietet z. B. High Knowledge das passende Rüstzeug an. Zunächst wird die Energiebilanz aufgestellt. Dafür werden alle eingesetzten Komponenten vernünftig angeordnet. Dank einer Software-basierten Analyse wird genau berechnet, wie viel Energie etwa die IT oder die Klimatechnik benötigt.

Es werden detailliert alle einzelnen Energieverbräuche im Rechenzentrum erfasst und ausgewertet. Dann kann genau bestimmt werden, wie groß zum Beispiel der Transformator sein muss. Alle Komponenten ordnet die Software in einem übersichtlichen Layout an. Mit dieser Modellierung können sämtliche Elemente mit kurzen Leitungsverbindungen intelligent aufgestellt werden.

Die von High Knowledge eingesetzte Software führt komplexe Berechnungen zum Last- und Energiemanagement durch. Sie begleitet die Planer durch den komplexen Zyklus des gesamten Projekts. „Im ersten Schritt werden die Weichen für das Rechenzentrum gelegt. Es werden alle benötigten Komponenten festgelegt und es werden die jeweiligen Daten exakt aufgenommen“, schildert Vogt das Vorgehen.

Vorab muss der Kunde genau festlegen, welche Größe und Leistung er benötigt. Dann wird genau analysiert, welche elektrischen Grundlagen es auf dem Standort gibt. Ist es möglich, Strom aus regenerativen Quellen wie der Windkraft zu erhalten? Welche Arten von Energie stehen überhaupt zur Verfügung? So ist es beispielsweise sinnvoll, wenn Energieerzeuger und Rechenzentrum örtlich nahe beieinander liegen.

Ingenieur das wichtigste Rüstzeug bei der Planung und Umsetzung

Sind die ersten planerischen Schritte abgeschlossen, beginnt die eigentliche Planungsphase der elektrotechnischen Versorgung. Nach der Modellierung beginnt die Detailplanung. Hier werden die gesamten Komponenten definiert und sowohl nach den technischen Vorgaben, als auch den individuellen Kundenanforderungen ausgelegt.

„Hier ist der Ingenieur der wichtigste Mann. Er muss sämtliche Daten der Software auswerten und exakt interpretieren. Damit ist er – als Mensch – immer noch das wichtigste Rüstzeug bei der Planung“, unterstreicht Vogt. Dank einer umfassenden und nachhaltigen Elektro-Planung und -Umsetzung sind Rechenzentren für Anforderungen des klimaneutralen Betriebs bis zum Jahr 2027 gerüstet. Das Kölner Unternehmen bietet dafür einen Rundum-Service von der Planung elektrischer Versorgungen über die effiziente Kühlung bis hin zur schlüsselfertigen Übergabe von modularen Rechenzentren oder eines Micro Data Center an.

Ohne eine effiziente elektrotechnische Versorgung kann ein Rechenzentrum die klimaneutralen Anforderungen durch den Gesetzgeber an den Betrieb nicht erfüllen. Darum ist es für Betreiber ratsam, sich externe Partner schon bei der Planung mit ins Boot zu holen. Denn so ist es möglich, alle betreffenden Komponenten so anzuordnen und auszuwählen, dass sie möglichst energieeffizient arbeiten. Mit dem nötigen Rüstzeug – Ingenieurskompetenz und passender Software – sind diese Ziele gut zu erreichen.

Thomas Meiler ist freier Journalist für Wordfinder.

High Knowledge, data center, design, consulting