Data Center 13.05.2020, 08:40 Uhr

Gleichstrom erobert das Rechenzentrum

Wenn Digitalisierung auf Energiewende trifft, sind neue Konzepte gefragt. Ein vielversprechender Ansatz ist die Energieversorgung von Datenzentren mit Gleichstrom. Ein Hoffnungsträger im Kampf um die Energieeffizienz.
Der Stromverbrauch ist ein entscheidender Kostenfaktor beim Betrieb eines RZs. Anbieter könnten viel Geld sparen durch den durchgehenden Einsatz von Gleichstrom
(Quelle: Lisa-S / shutterstock.com)
Rechenzentren (RZ) brauchen Kapital und Energie, um den Produktionsfaktor Daten ausfallsicher zu handhaben. Der Energiebedarf der RZs könnte in absehbarer Zeit überproportional steigen, warnen Fachleute. Laut der IDC-Studie «Data Age 2025 – The Digitization of the World» sollen die globalen Datenbestände von 33 Zettabyte im Jahr 2018 auf 175 Zettabyte 2025 steigen, das entspricht einem Wachstum von 530 Prozent. Damit einher geht auch ein steigender Strombedarf. Um den auch durch die Digitalisierung wachsenden Energiehunger in den Griff zu bekommen, suchen Unternehmen händeringend nach Stromsparpotenzialen für ihre Rechenzentren. Ein Hoffnungsträger in diesem Kampf um Energieeffizienz heisst Gleichstrom. 

Gleichstrom vs. Wechselstrom

Vor der Energiewende hat sich die Frage Gleichstrom oder Wechselstrom für Rechenzentren nicht gestellt. Erst das Thema erneuerbare Energiequellen hat die Problematik ans Tageslicht gebracht. Zudem ist die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung eine vergleichsweise junge Technik. IT-Geräte wie Server, Storage oder Switches und andere ICT-Komponenten nutzen intern Gleichstrom (DC für Direct Current), typischerweise mit je 12 Volt pro Leitung. In einem konventionellen Rechenzentrum beziehen sie jedoch Wechselstrom (AC für Alternate Current) mit 220 Volt Spannung je Leitung aus den Leistungsverteilern. Die Umwandlung von Wechsel- in Gleichstrom erfolgt im Netzteil der Geräte und geht mit hohen Energieverlusten, vorwiegend in Form von Abwärme und elektro­magnetischen Störfeldern, einher. 
AC-zu-DC-Transformatoren geben ihre Abwärme in direkter Nähe temperatursensibler IT-Bauteile ab. Dies erhöht sowohl den unmittelbaren Bedarf an aktiver Kühlung als auch die Kosten eines Betriebsausfalls der Kälteanlagen. Die Notwendigkeit der Abführung beziehungsweise Neutralisierung der Abwärme und der Abschirmung elektromagne­tischer Störfelder reduziert die erzielbare Systemdichte und erhöht so den ökologischen Fussabdruck der ICT. 
Zusätzliche Herausforderungen entstehen, wenn die Hauptversorgung ausfällt. Batterien und Notfallaggregate liefern nämlich keinen Wechselstrom, sondern Gleichstrom. Zur Gewährleistung einer unterbrechungsfreien Energie­versorgung muss also zuerst eine Konvertierung von Gleichstrom in Wechselstrom und dann wieder zurück stattfinden, stets unter Erhaltung der Netzfrequenz. Auch Selbstversorger haben es nicht leicht. Denn «grüne» Energiequellen wie Fotovoltaikanlagen oder Windturbinen erzeugen von sich aus Gleichstrom. Jede Umwandlung von Gleich- in Wech­selstrom und umgekehrt geht mit Energieverlusten und hohem Platzbedarf einher. 
Ausrüstern wie ABB, Amstein + Walthert und Stulz zufolge könnte ein RZ durch den Wegfall der Umwandlungsschritte auf dem Weg von der Einspeisung bis hin zum Endgerät eine Effizienzerhöhung von mehr als 10 Prozent realisieren. 

Zuverlässigkeit könnte steigen 

Ein weiterer Vorteil des Gleichstroms: Ein Data Center benötigt mehrere redundant ausgelegte Energiequellen, um einen unterbrechungsfreien Betrieb und die erforderliche Datenintegrität zu gewährleisten. Die Zuverlässigkeit der Stromversorgung liesse sich dank Gleichstrom aufgrund der geringeren Kom­plexität auf das Zehnfache steigern, hat wie­derum der IT-Anbieter NTT vorgerechnet. Der durchgängige Einsatz von Gleichstrom könnte Experten zufolge die gesamte Energieversorgungskette von RZs vereinfachen und nebenbei auch die Anbindung der Stromverbraucher an regenerative Energiequellen erleichtern. 
Gleichstrom würde zu einer höheren Energieeffizienz massgeblich durch drei Faktoren beitragen:
  • Keine DC-zu-AC-Umwandlung bei Selbstversorgern: Regenerative Energiequellen wie Windturbinen und Fotovoltaikanlagen erzeugen Gleichstrom; die umständliche Umwandlung von Gleich- in Wechselstrom zur Einspeisung ins eigene Netz entfällt für ein Gleichstrom-RZ.
  • Wegfall der AC-zu-DC-Umwandlung im Rechenzentrum: IT-Geräte laufen mit Gleichstrom statt mit Wechselstrom; die sensible IT-Elektronik erfordert bisher eine Umwandlung von Wechselstrom (zurück) in Gleichstrom. 
  • Starke Reduktion von Streuverlusten bei Hochspannung: Die Übertragung von Gleichstrom über hohe Distanzen reduziert die Streuverluste gegenüber Wechselstrom. 


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