Stromaggregate für Rechenzentren. Kriterien für die Auswahl, Entwicklung und Installation von Geräten

Worin unterscheidet sich diese Anwendung von dem bereits bekannten Stand-by bzw. Notstromaggregat? Was ist das Uptime Institute und welchen Einfluss hat es auf die Auswahl des geeignetsten Stromaggregats? Wie können wir wissen, welches Modell sich am besten an unser Rechenzentrum-Projekt anpasst?


Pablo Zárate, HIMOINSA Sales Engineer




Die Anwendung Data Center Continuous Power (DCC) verzeichnet eine steigende Anfrage in dem Bereich der Stromaggregate mit Dieselmotor. Diese Anwendung ist für Stromaggregate als alternative Stromquelle in Rechenzentren vorgesehen, und verfügt über spezifische Merkmale, um die Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit eines Rechenzentrums zu erfüllen. Aber, was unterscheidet diese Anwendung von dem bereits bekannten Stand-by bzw. Notstromaggregat? Was ist das Uptime Institute und welchen Einfluss hat es auf die Auswahl des geeignetsten Stromaggregats? Wie können wir wissen, welches Modell sich am besten an unser Rechenzentrum-Projekt anpasst?



Ein Sektor in ständigem Wachstum

Die ständige Weiterentwicklung der Internet-Aktivitäten und der gesamten mit dieser Technologie in Verbindung stehenden Branche führt zu einem immer größeren Informationsfluss im Netzwerk sowie dem dringenden Bedarf, eine große Menge an Daten zu speichern, verwalten und zu analysieren, was wir heute unter dem Begriff Big Data kennen. 

Infolge dieser Entwicklung war der Sektor der Energieerzeugung gezwungen, sich an diese neue Form des Arbeitens anzupassen und die neuen Anforderungen an die Informationsspeicherung verschiedener Branchen, wie der Banksektor, der Handel, die Unterhaltungsindustrie bis hin zu öffentlichen Einrichtungen, abzudecken. 



Die Rechenzentren, die den Unternehmen und Benutzern einen schnellen Zugriff auf die Daten ermöglichen, haben einen erheblichen Stromverbrauch, nicht nur für den gewöhnlichen Betrieb, sondern auch für die Kühlung der Räume, in denen sie sich befinden. Diese Anlagen benötigen durchgehend eine Umgebungstemperatur von etwa 20ºC, was die optimale Arbeitstemperatur für die Server ist. Jeder Stromausfall, wenn auch nur für wenige Minuten, kann die Arbeit eines ganzen Unternehmens unterbrechen und erhebliche Verluste in wirtschaftlicher Hinsicht verursachen. Die Stromversorgung dieser Anlagen muss somit nicht nur stabil sein, sondern es muss auch die Versorgungskontinuität mittels redundanten Stromversorgungssystemen gewährleistet werden. Und hier ist es, wo die speziell für Rechenzentren entwickelten Stromaggregate ins Spiel kommen.

 Die Auswahl zwischen den unterschiedlichen, derzeit auf dem Markt verfügbaren Produkten hängt von mehreren Faktoren ab:  



1

ZUVERLÄSSIGKEIT  

Die Zuverlässigkeit des Hauptstromnetzes.

2

BUDGET

Das für die Anlage verfügbare Budget.

3

SENSIBILITÄT

Die Sensibilität der im Rechenzentrum gespeicherten Daten, die bestimmt, ob ein mehr oder weniger hoher Schutzgrad im Hinblick auf mögliche Stromausfälle erforderlich ist


Das Uptime Institute spezifiziert und zertifiziert die Anlagen für Rechenzentren  

Um den Kunden einen guten und unterbrechungsfreien Service zu bieten, sind, insbesondere wenn sensible Daten gehandhabt werden, die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit die Schlüsselfaktoren für ein Rechenzentrum. Diese Faktoren hängen in großem Maß von der Stromversorgung ab und daher ist es wichtig, ein Versorgungssystem im Einklang mit der Wichtigkeit der gehandhabten Daten sowie qualitativ hochwertige und bewährte Geräte zu wählen.

Das Uptime Institute ist die international anerkannte Einrichtung, die festlegt und zertifiziert, wie die Anlagen eines Rechenzentrums eingerichtet werden müssen. Dazu werden die Rechenzentren, je nach ihrer Verfügbarkeit, in vier Kategorien eingestuft: Tier I, II, III und IV. Der ausschlaggebende Faktor zur Bestimmung der Kategorie einer Anlage ist die Anzahl der zur Verfügung stehenden kontinuierlichen Stromversorgungsquellen sowie der Notstromaggregate. 



Zur Beantwortung der Frage, welchen Einfluss die Einstufung des Uptime Institute auf die Dimensionierung der zu installierenden Stromaggregate hat, ist es wichtig den Unterschied zu verstehen, den dieser Organismus zwischen Notstromaggregaten und alternativer Stromversorgung macht.  Die erstgenannte Anlage entspricht den Anforderungen, die von der Institution als Tier I und Tier II eingestuft werden. Die an zweiter Stelle genannte Anlage ist im Fall von Rechenzentren notwendig, die einen Verfügbarkeitsgrad der Kategorie Tier III oder Tier IV erfordern. Damit eine Stromversorgungsquelle als alternative Quelle angesehen werden kann und somit 

die Anforderungen erfüllt, die das Uptime Institut für Tier III und IV festgelegt hat, muss sie im Fall eines Ausfalls des Hauptstromversorgungsnetzes in der Lage sein, eine kontinuierliche Stromversorgung zu gewährleisten. Das bedeutet, dass ein Stromaggregat so bemessen sein müsste, dass es den je nach Belastung erforderlichen Strom kontinuierlich und für eine unbegrenzte Anzahl von Stunden liefern kann. Wenn wir uns die Norm ISO 8528-1:2005 anschauen, wird dieser Betriebsmodus als COP (Continuous Operation Power) katalogisiert.

Warum sollte man die Aggregate nicht gemäß ihrer Leistungserklärung COP dimensionieren?

Wir verfügen bereits über eine Leistungserklärung für den Dauerbetrieb - warum sollten wir sie nicht nutzen? Die erklärte Leistung für den Dauerbetrieb (COP) eines Motors beträgt etwa 80-90% der Nennleistung bzw. maximalen Leistung. Eine Dimensionierung der Aggregate gemäß ihrer Dauerleistung (COP) bedeutet den Einsatz größerer Motoren und folglich höhere Kosten für deren Beschaffung sowie Mehrkosten aufgrund des höheren Platzbedarfs für die Installation und deren Kühlung. Darüber hinaus würde der Motor nicht im effizientesten Lastpunkt arbeiten, der bei ca. 100% seiner Leistung liegt.

 Aus diesem Grund und um auf dem Markt wettbewerbsfähiger zu sein und dem Endkunden unnötige Kosten zu ersparen, haben die wichtigsten Dieselmotorhersteller eine neue Leistungserklärung eingeführt, die Data Center Continuous (DCC) (Rechenzentrumsdauerleistung). In den meisten Fällen stimmt sie mit der PRP-Erklärung nach ISO 8528-1:2005 überein, das heißt 100% der Leistung, aber mit dem Unterschied, dass diese in diesem Fall kontinuierlich geliefert wird. Dieselben Hersteller haben nach einer statistischen Studie der Ausfallwahrscheinlichkeiten und unter Berücksichtigung der Erfahrung in bestehenden Anlagen festgestellt, dass die Notstromaggregate in Ländern mit einem stabilen Stromnetz höchst selten in Betrieb genommen werden und wenn, dann nur für einen kurzen Zeitraum. Daher sind sie in der Lage während des Betriebs einen hohen Lastanteil der Motoren zu erlauben.

Wie passt diese neue Leistungserklärung DCC mit den Anforderungen des Uptime Institute zusammen?

Obwohl die PRP-Leistung nicht unbegrenzt in einem Motor aufrechterhalten werden kann (wegen der mechanischen und thermischen Belastung, der er ausgesetzt ist), garantieren die Motorhersteller, die diese neue Leistungserklärung DCC verwenden, die Nutzung der Motoren ohne Begrenzung der Betriebszeit oder der durchschnittlichen Lastanteile. Somit erfüllen die nach dieser neuen Erklärung ausgelegten Motoren die Klassifizierung Tier III und Tier IV des Uptime Institute, da sie die Anforderungen an eine alternative Stromquelle erfüllen. Dies unterliegt, wie zuvor erwähnt, der niedrigen Ausfallwahrscheinlichkeit der Hauptstromquelle, weswegen die Hersteller der Motoren deren Nutzung auf Länder mit stabilen Stromnetzen beschränken, wobei einige der Hersteller sogar eine Liste der Länder, die nach ihrem Erachten über ein stabiles Stromnetz verfügen, veröffentlichen.

Wenn das Hauptstromnetz ausreichend zuverlässig ist, die gehandhabten Daten nicht so sensible sind und deren Verfügbarkeit nicht zu jedem Moment gegeben sein muss, kann der Verfügbarkeitsgrad dieser Anlagen natürlich gesenkt werden und auf die Klassifizierungen nach Tier I und Tier II des Uptime Institute zugegriffen werden. Auf diese Weise können Aggregate ausgewählt werden, die gemäß der verfügbaren Standby-Leistung als Reserve genutzt werden, wodurch sich die Kosten der Anlage reduzieren.



Hauptmerkmale eines Stromaggregats, das ein Rechenzentrum versorgt

Die Merkmale eines Stromaggregats für Rechenzentrum-Anwendung und der zugehörigen Bestandteile entsprechen weitgehend denen eines Aggregats für jede andere beliebige Einrichtung, jedoch kann sich die Auswahl einiger dieser Bestandteile im Fall von DCC-Aggregaten als etwas kritischer darstellen. 

Unter allen Bestandteilen ist der Motor, der wichtigste, da über diesen die Leistung zur Verfügung gestellt wird, die ein Stromaggregat erzeugt. Der Motor einer DCC-Anwendung muss über einen elektronischen Drehzahlregler verfügen, um im Fall eines Stromausfalls schnellstmöglich günstige Voraussetzungen zur Bereitstellung der erforderlichen Spannung und Frequenz zu schaffen und, nach Stabilisierung dieser Parameter, diese während des Betriebs aufrechtzuerhalten. Für die Auslegung des Motors werden nicht nur die zuvor erwähnten spezifischen Aspekte dieser Anwendung berücksichtigt, sondern auch die Umweltfaktoren denen alle Anwendungen ausgesetzt sind, wie Umgebungstemperatur und Höhenlage.



Bei der Auswahl der Motoren für diese Anwendung, bei der die Zuverlässigkeit entscheidend ist, gehört auch der Anlasser zu den relevanten Bestandteilen. HIMOINSA bietet eine Optimierung der Anlasser der Serienmotoren, indem redundante Systeme mit zwei Elektromotoren mit unabhängigen Batteriesystemen oder die Kombination aus einem elektrischen Motor und einem pneumatischen bzw. hydraulischen Motor verbaut werden. 

Der Einsatz von wartungsfreien Batterien sowie die Bereitstellung einer ausreichenden Stromstärke beim Start sind weitere Schlüsselfaktoren. Um die Aufgabe des Anlassers zu erleichtern und einen schnellen Start sowie eine Ladungsaufnahme in kürzester Zeit zu erreichen ist außerdem, wie bei jeder Stand-by Anwendung, der Einsatz von Heizelemente für das Kühlmittel im Motorblock von Wichtigkeit. Auf diese Weise verfügt der Motor bei Netzausfall über die optimale Betriebstemperatur. Zusätzlich zur Kühlmittelheizung kann eine Pumpe verbaut werden, die den Kühlmittelumlauf unterstützt, um eine gleichmäßigere Erwärmung des Motorblocks zu erzielen. Zu guter Letzt sorgt auch eine ordnungsgemäße Schmierung mittels Ölpumpe für verbesserte Starteigenschaften. 

Der Generator ist ein weiterer wichtiger Bestandteil des Stromaggregats. Ein effizienter AVR-Spannungsregler (Automatic-Voltage-Regulator) hält die Spannungsschwankungen bei Werten unter 0.5% und eine hochwertige Gestaltung und Herstellung der Wicklung gewährleistet geringe harmonische Verzerrung und Störungen durch Fernmeldeanlagen. Die Verwendung eines Permanentmagnets PMG sichert bei plötzlichen Lastanforderungen eine zuverlässige Versorgung des AVR unabhängig von der Hauptwicklung, wodurch für den Regler eine permanente Erregerspannung gewährleistet wird. Eine hochwertige Grundierung der Wicklung, Schutzart / Gehäuse IP23 sowie Antibeschlag-Heizeinheiten sind für die Lebensdauer eines Wechselstromgenerators von entscheidender Bedeutung, vor allem in Gebieten mit hoher Luftfeuchtigkeit.

 Bei dieser Art von Anlagen ist auch die richtige Wahl des Kühlsystems wichtig, da die Aggregate oft in Untergeschossen oder im Keller untergebracht werden, wo aufgrund der reduzierten Öffnungen keine ausreichende Belüftung gegeben ist. Daher ist es wichtig, dass der Hersteller von Stromaggregaten über ein gutes Ingenieursteam und ausreichend Erfahrung verfügt, um abgesetzte Kühlsysteme zu entwickeln, die in den oberen Etagen oder auf dem Dach aufgestellt werden und die den Motor mittels Wärmetauschern und Sekundärkreisläufen kühlen.

All diese Elemente werden von der Steuereinheit des Aggregats gesteuert, gemessen und verwaltet. Auf dem Markt werden Steuereinheiten von verschiedenen Herstellern und für verschiedene Anwendungen angeboten. HIMOINSA verfügt über eigene Steuereinheiten, die speziell für die Steuerung der angebotenen Aggregate entwickelt wurden und die in der Lage sind, Netzausfälle zu erkennen und den Einschaltbefehl für das Stromaggregat zu geben. Diese Steuereinheiten können unterschiedliche Kommunikationsprotokolle enthalten, um das Stromaggregat sowie die entsprechenden Betriebsparameter und Alarme in die Steuersysteme der Gebäudeinstallation zu integrieren. Die Steuereinheiten können außerdem ferngesteuert überwacht und gesteuert werden.


Schlussfolgerungen

Umso sensibler die Daten eines Rechenzentrums sind und umso wichtiger die ständige Datenverfügbarkeit ist, desto zuverlässiger sollten die Anlagen für die kontinuierliche Stromversorgung sowie die Reserveanlagen für die Versorgung der Geräte im Notfall sein. Als wesentlicher Bestandteil dieser Art von Einrichtungen sollte das Stromaggregat auf Basis dieser Aspekte ausgelegt sein. Dabei gibt die Leistungserklärung nach der das Aggregat ausgelegt wurde die Verfügbarkeitsklasse gemäß der vom Uptime Institute festgelegten Kriterien an. Zusammenfassend bedeutet dies, dass wenn ein gemäß seiner Stand-by-Leistung 

ausgelegtes Stromaggregat die Anforderungen nach Tier I und II erfüllt, es zur Erreichung der höheren Verfügbarkeitsklasse nach Tier III und IV gemäß seiner DCC-Leistung ausgelegt werden muss.

HIMOINSA stellt Stromaggregate her, die den Marktstandards gerecht werden und die höchsten Anforderungen des Uptime Institute erfüllen und bietet Ihnen die notwendige Beratung über die Anlage, die sich am besten an die Bedürfnisse Ihres Rechenzentrums anpasst. 

Pablo Zárate Fraga. Wirtschaftsingenieur, spezialisiert auf das Engineering von Großprojekten. Seit 2014 arbeitet er im Bereich Wirtschaftsingenieurwesen von HIMOINSA an der technischen Durchführbarkeitsstudie von neuen Projekten und überwacht die Qualität und die Kosten der Engineering-Lösungen, um das Produkt auf die Bedürfnisse jedes einzelnen Projekts anzupassen.