Umstellung von Rechenzentren von Stromerzeugung durch Dieselkraftstoff auf Stromerzeugung durch Gas

Marcelo Algrain, Ph.D.
Senior Engineering Technical Steward
Caterpillar Inc. Geschäftsbereich Electric Power

Oktober 2016

Einleitung

Der Energiebedarf der Rechenzentrumsbranche (Data Center, DC) wächst weiterhin rasant. Früher befanden sich DC-Standorte in der Nähe günstiger, verlässlicher Energiequellen. Heutzutage sind solche Standorte schwieriger zu finden, während gleichzeitig immer mehr darauf gedrängt wird, Alternativlösungen einzusetzen, die das Stromnetz weniger belasten – ganz besonders dann, wenn der Strombedarf hoch ist.

Obwohl viele DCs über Diesel-Notstromaggregate und damit über eine ausreichende eigene Stromversorgung verfügen, kann eine Entlastung des Stromnetzes damit nicht realisiert werden. Dies wäre weder wirtschaftlich (die Betriebskosten wären aufgrund der Brennstoffkosten zu hoch) noch zulässig, da durch die momentanen Luftschutzbestimmungen die jährlich erlaubten Betriebsstunden begrenzt werden. Die Diesel-Notstromaggregate in den DCs sind nur für die Verwendung als Reserve im Falle eines Netzausfalls vorgesehen.  

Im Gegensatz dazu sind die Umweltauswirkungen und Kosten von gasbasierter Stromerzeugung wesentlich geringer. Zudem bieten einige Energieversorger auch finanzielle Anreize für eine Reduzierung des Stromverbrauchs bei Netzengpässen. Unter diesen Umständen wird es für DCs wirtschaftlich und ökologisch interessant, für die Kraft-Wärme-Kopplung außerhalb von Netzausfällen auf gasbetriebene Stromaggregate umzusteigen. In welchem Ausmaß die Kraft-Wärme-Kopplung eingesetzt wird, hängt dabei vom jeweiligen Einzelfall ab, aber das mögliche Spektrum reicht von der Unterstützung nichtkritischer Lasten bis hin zur Versorgung ganzer Rechenzentren.

Es ist verständlich, dass für eine Branche, die das höchste Maß an Stabilität bieten muss, der Gedanke an einen Wechsel von dieselbetriebener zu gasbasierter Stromerzeugung einem technischen Quantensprung gleichkommt, der vielen zu radikal erscheint. In dem Fall empfiehlt sich eine schrittweise Einführung.  

Der Umstieg von Diesel auf Gas könnte in Rechenzentren auf verschiedene Weise verwirklicht werden. Einige Möglichkeiten sind unten aufgeführt. Es sollte beachtet werden, dass sich auch Lösungen, die normalerweise unattraktiv sind, in besonderen Fällen als Ideallösungen erweisen können. 

Bau eines Spitzenlast-Kraftwerks neben dem DC

Die erste Option wäre für die DCs mit dem geringsten Aufwand verbunden. Das Spitzenlast-Kraftwerk käme zum Einsatz, wenn der Energieverbrauch des DCs eigentlich gesenkt werden müsste. Die Entscheidung, ob das Kraftwerk zusätzlich Energie in das Netz einspeisen soll oder nicht, müssen die Betreiber fällen. Falls ja, muss das Kraftwerk den Netz- und Systemregeln, kurz Gridcodes, des jeweiligen Landes entsprechen (für die USA beispielsweise IEEE 1547). Soll das Spitzenlast-Kraftwerk jedoch nur den Energiebezug des DCs aus dem Stromnetz ausgleichen, werden in den meisten Fällen keine Gridcodes gebraucht, was die Installation vereinfacht, den Genehmigungsprozess für den Anschluss ans Stromnetz verkürzt und die Anlagenkosten senkt.

Umwandlung von Dieselanlagen in Zweistoffanlagen

Die Umwandlung von Dieselanlagen in Zweistoffanlagen (Diesel und Gas) ist eine technisch ansprechende Lösung. Man erhält dadurch ein Stromaggregat mit dem Ansprechverhalten eines Dieselmotors und den ungefähren Kosten eines Gasmotors. Die Anlagen müssen jedoch den aktuellen Bestimmungen für variable Aggregat-Dauerleistung bei Dieselmotoren entsprechen, weshalb eine gründliche Abgasaufbereitung nötig ist, die einen erheblichen Kostenfaktor darstellt. 

Versorgung nichtkritischer Lasten mit Gasanlagen

Mit der dritten Möglichkeit, nichtkritische Lasten mit Gasanlagen zu versorgen, könnte ein zumindest teilweiser Ausgleich des aus dem Netz bezogenen Stroms realisiert werden. Nichtkritische Lasten machen in der Regel weniger als ein Viertel der Gesamtlast eines DCs aus. Reicht diese Entlastung aus, stellt diese Möglichkeit eine akzeptable Lösung dar. Zusätzlich könnte das DC den thermischen Wirkungsgrad verbessern, wenn es einen Teil der Wärme, der von den Gasanlagen produziert wird, als Kraft-Wärme-Kopplungslösung umsetzt.

Ersetzen von Dieselanlagen mit Gasanlagen für eine höhere Lastaufnahmekapazität

Der direkte Ersatz von Diesel-Stromaggregaten mit Gas-Stromaggregaten ist eine ideale Lösung. Zwar wird häufig davon ausgegangen, dass die Lastaufnahmekapazität von Gasanlagen im Vergleich zu der von Dieselanlagen geringer ist, doch aufgrund neuer Entwicklungen im Gasmotorenbereich hat sich die Leistung dieser Motoren und damit auch ihre Lastaufnahmefähigkeit erheblich verbessert. 

Abb. 1: Spannungs- und Frequenzsprünge für eine Lasteinheitenveränderung von 75 Prozent

Abbildung 1 zeigt die Spannungssprünge (links) und Frequenzsprünge (rechts) für eine Lastveränderung von 75 Prozent. Die blaue Linie entspricht einem herkömmlichen Gas-Stromaggregat, die rote Linie entspricht einem neuen, dynamischen Gas-Stromaggregat und die grüne Linie entspricht einem Diesel-Stromaggregat. Wie in Abbildung 1 dargestellt, nähert sich die Lastaufnahme der neuen Gasmotoren der Leistung von Dieselanlagen an, sodass in einigen Fällen sogar der direkte Ersatz einer Dieseleinheit mit einer Gaseinheit möglich ist. Darüber hinaus könnte das Lastprofil eines Rechenzentrums durch die Optimierung der Lastsequenzen, die Verlängerung der USV-Hochlaufzeiten und die Verkleinerung der Blocklast so verändert werden, dass es den Lastaufnahmekapazitäten der nächsten Generation von Gas-Stromaggregaten entspricht. So können gasbetriebene DCs verwirklicht werden.

Verwenden Sie eine Hybrid-Stromerzeugungsanlage mit einer Kombination von Gas- und Diesel-Einheiten 

Schließlich besteht auch die Möglichkeit einer Hybridlösung, bei der sowohl Gas- als auch Dieseleinheiten verwendet werden, um bei einer Überlastung des Netzes den Verbrauch des Rechenzentrums auszugleichen, und bei der es auch weiterhin in Notfällen möglich ist, auf Diesel-Stromaggregate zurückzugreifen. Diese Möglichkeit besteht, weil im Großen und Ganzen der Laststatus von DCs stabil bleibt und wenigen Schwankungen unterliegt und die Anforderungen an das Übergangsverhalten von Stromaggregaten nicht sehr hoch sind. Die Herausforderung besteht darin, den Übergang von einer Energiequelle zur anderen zu meistern. Mit Diesel-Stromaggregaten waren solche Übergänge auch in der Vergangenheit schon problemlos möglich. Herkömmliche Gasanlagen sind jedoch noch nicht im gleichen Maße dazu in der Lage. Allerdings würde ein hybrides Gas-Diesel-System den Anforderungen an das Übergangsverhalten entsprechen und könnte auch außerhalb von Stromversorgungsnotfällen in Perioden mit stark belastetem Stromnetz den Bedarf des DCs an Netzstrom senken.

Die einfachere Ausführung des Diesel-Gas-Hybrid-DCs ist eine parallele Buskonfiguration mit einer Kombination aus Gas- und Diesel-Stromaggregaten. Die Aggregate sind über einen parallelen Bus verbunden und teilen die Last. Da Gasanlagen in der Regel über geringere Lastannahmekapazitäten verfügen als Dieselanlagen, sollten die Gasanlagen im Grundlastbetrieb und die Dieselanlagen im Lastfolgebetrieb arbeiten. Die Entscheidung über die jeweilige Höhe der Diesel- und Gasanteile sollte auf Grundlage der gewünschten Stromerzeugung außerhalb von Notfällen getroffen werden. Gleichzeitig müssen die Diesel-Stromaggregate eine ausreichende elektrische Steifigkeit des Busses gewährleisten, damit die gewünschte Stromqualität auch in Notfällen sichergestellt werden kann. Zwar wäre das Verhältnis von Diesel und Gas von Fall zu Fall verschieden, doch zu Anfang wäre ein 50/50-Verhältnis angemessen.

Bei DCs mit modularer Konstruktion, in denen ein einziges Stromaggregat die IT-Last über USV betreibt, gestaltet sich eine Hybridkonfiguration wesentlich schwieriger. Die meisten modularen Systeme verfügen über eine gewisse Erzeugungsredundanz, N+1 oder N+2 usw. Die redundanten Stromaggregate stellen eine Möglichkeit für Hybridisierung dar. Abbildung 2 zeigt ein vereinfachtes Einliniendiagramm eines modularen DCs. Es gibt zwei Möglichkeiten: 

1. Die Gas-Stromaggregate werden redundant betrieben und die Dieseleinheiten werden primär verwendet
2. Die Diesel-Stromaggregate werden redundant betrieben und die Gaseinheiten werden primär verwendet

Im ersten Fall ist die Kapazität für Netzentlastungen abhängig von der Höhe der Redundanz entweder 1/N oder 2/N. Dies wäre primär eine Diesel-Konfiguration. Im zweiten Fall handelt es sich primär um eine Gas-Konfiguration, bei der die Gaseinheiten den gesamten Strombedarf des Rechenzentrums liefern. Welche Lösung gewählt werden sollte, hängt davon ab, wie hoch die gewünschte eigene Stromerzeugung außerhalb von Notfällen ist.

Abb. 2: Beispiel für eine modulare DC-Konfiguration

Nehmen wir an, dass Gas-Stromaggregate nicht in der Lage sind, dasselbe Lastannahmen-Übergangsverhalten wie Dieselanlagen aufzuweisen. Wie könnten diese Anforderungen nun von einem Hybridsystem erfüllt werden? Im ersten Fall, in dem die Gaseinheiten redundant sind, könnten die Aggregate verwendet werden, um die Netzlast außerhalb von Notfällen zu senken. Die Gas-Stromaggregate würden im Grundlastbetrieb arbeiten. Im Falle eines Netzstromausfalls würden die Dieseleinheiten die Arbeit aufnehmen und die USV wie gewohnt wiederherstellen, egal ob die Gaseinheiten arbeiten oder nicht. Für den seltenen Fall, dass eine Dieseleinheit nicht anspringt, ständen dann immer noch die Gaseinheiten als Ersatz zur Verfügung. Die USV zu den Gas-Stromaggregaten müsste jedoch auf die Lastannahmekapazität der Gaseinheiten reduziert werden. Sollte mehr als eine Gaseinheit als Ersatz für eine nicht arbeitende Dieseleinheit zur Verfügung stehen, beispielweise bei einem N+2-System, wären die Lastannahmekapazitäten der beiden Gaseinheiten kompatibel mit der USV.

Bei der zweiten Hybrid-Konfiguration wird das Diesel-Stromaggregat redundant und das Gas-Stromaggregat primär betrieben. Die Erzeugungskapazität außerhalb von Notfällen ist ausreichend, um den Gesamtverbrauch des Rechenzentrums zu decken, ohne weiteren Strom aus dem Netz beziehen zu müssen. Es ist dennoch ratsam, weiterhin an das Stromnetz angeschlossen zu sein, um die Steifigkeit der Stromquelle sicherzustellen und zusätzliche Redundanzen zur Verfügung zu haben. Vorzugsweise sollte die Startfrequenz bei bestehendem Anschluss ans Stromnetz beginnen, sodass das Gas-Stromaggregat mit so viel Leistung anlaufen kann, dass die IT-Last vollständig von der Gaseinheit getragen wird und kein Strom durch den dazugehörigen Netzstromschalter fließt. Sollte ein Gas-Stromaggregat gestartet werden müssen, ohne dass Netzstrom vorhanden ist, würde das redundante Diesel-Stromaggregat die benötigte elektrische Steifigkeit für den Bus liefern, um die IT-Last an die Gaseinheit zu übertragen. Dieser Vorgang müsste mehrmals wiederholt werden, bis alle Gaseinheiten nach dem Schwarzstart arbeiten. Dieser Prozess würde die USV-Laufzeit besonders für die zuletzt versorgte Einheit verlängern. Dies würde allerdings für Batterie-USVs mit einer Entladezeitkapazität von mehreren Minuten keine Einschränkung bedeuten, da die Induzierung der Versorgungspriorität des Stromaggregats die USV für alle Einheiten angleichen würde. Dieser letzte Ansatz ermöglicht es, den Netzstromverbrauch des Rechenzentrums in Perioden starker Stromnetzbelastung auf annähernd 0 zu senken. So könnten die Betreiber von Rechenzentren die von Stromversorgungsunternehmen angebotenen finanziellen Vorteile nutzen.

Fazit

In diesem White Paper wurden verschiedene Möglichkeiten der Umstellung von dieselbasierter auf gasbasierte Stromerzeugung in Rechenzentren vorgestellt. Auch eine komplette Umstellung liegt im Bereich des Möglichen. In welchem Maße diese Umstellung tatsächlich durchgeführt wird, ist davon abhängig, wie groß die Entlastung des Stromnetzes bei Netzengpässen sein soll und welche finanziellen Anreize von den Netzbetreibern in Aussicht gestellt werden, wenn der Netzstrombedarf des Rechenzentrums durch die Verwendung von Kraft-Wärme-Kopplung gesenkt wird. Aktuell deutet vieles darauf hin, dass Netzengpässe immer häufiger werden, da immer mehr herkömmliche Kraftwerke vom Netz genommen werden und die Einspeisung von Energie aus vielen unterschiedlichen und erneuerbaren Energiequellen zunimmt. Stromerzeugung auf Gasbasis stellt eine widerstandsfähige, umweltfreundliche und wirtschaftlich sinnvolle Möglichkeit für Rechenzentren dar, der zunehmenden Unbeständigkeit des Strommarktes zu begegnen. Die Kosten für Erdgassysteme sind so niedrig wie nie zuvor, und die Gasvorräte sind enorm. In einer vom Verteidigungsministerium der USA in Auftrag gegebenen Studie1 wurde festgehalten, dass das Erdgassystem stabil genug ist, Ausfälle im elektrischen Stromnetz von zwei Wochen bis zu drei Monaten zu überbrücken. Im Erdgasversorgungssystem gab es bisher nur sehr wenige Ausfälle, und feste Lieferverträge sorgen für eine fast einhundertprozentige Zuverlässigkeit. Kurz gesagt: Erdgas ist eine echte Brennstoff-Alternative für Rechenzentren.

1Quellen: Department of Defense (Verteidigungsministerium): Interdependence of the Electricity Generation System and the Natural Gas System and Implications for Energy Security, 2013

Über Caterpillar

Seit 90 Jahren fördert Caterpillar Inc. nachhaltigen Fortschritt und ist Motor eines positiven Wandels auf allen Kontinenten. Kunden arbeiten bei Projekten in den Bereichen Infrastruktur, Energie und natürliche Ressourcen mit Caterpillar zusammen. Mit Umsatzerlösen und Erträgen von $ 47,01 Milliarden im Jahr 2015 ist Caterpillar der weltweit führende Hersteller von Bau- und Bergbaumaschinen, Diesel- und Erdgasmotoren, Industriegasturbinen sowie dieselelektrischen Lokomotiven. Das Unternehmen ist hauptsächlich in seinen drei Produktsegmenten tätig – Resource Industries, Construction Industries und Power Systems – und bietet außerdem durch sein Segment Financial Products Finanzdienstleistungen und zugehörige Dienstleistungen an.

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