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Das neue, von der Providerfirma Green.ch erbaute und betriebene Rechencenter in Lupfig wird anstatt mit dem herkömmlichen Wechselstrom von 220 Volt aus dem Netz mit 38 kV Gleichstrom via Hochleistungs-Halbleitern von ABB gespiesen. Dies und die Verwendung von Kernkomponenten aus HPs Converged Infrastructure führt zu deutlichen Einsparpotenzialen.
ABB hat errechnet, dass ein Rechenzentrum rund hundert Mal mehr elektrische Energie verbraucht als ein gleich grosses Bürogebäude. Insgesamt verbrauchen nach der gleichen Quelle alle Rechenzentren der Welt insgesamt nicht weniger als 80 Millionen Megawattsstunden. Im Durchschnitt benötigt ein einziges Rechenzentrum soviel Strom wie 25'000 Privathaushalte in der westlichen Hemisphäre. Dieser Wert könnte nach ABB allein durch Umstellung der Energieversorgung von Rechenzentren vom heute üblichen Wechsel- auf Gleichstrom um 10 bis 20 Prozent gesenkt werden. ABB hat dies jüngst im aargauischen Lupfig mit der Inbetriebnahme des ersten, allein mit Gleichstrom versorgten Rechencenters der Welt in der Praxis demonstriert. Die Reduktion des Energieverbrauchs gelang vor allem dank dem Einsatz von Hochleistungs-Halbleitern, die ABB selbst in der Schweiz entwickelt hat und produziert.
Das neue, von der Providerfirma Green.ch erbaute und betriebene Rechencenter wird anstatt mit dem herkömmlichen Wechselstrom von 220 Volt aus dem Netz mit 38 kV Gleichstrom gespiesen. Dies ist die gleiche Hochspannung, die heute maximal mit den Freileitungen im konventionellen Wechselstromnetz übertragen wird. Die Wahl der öffentlichen Energieversorgung fiel bereits vor mehr als hundert Jahren auf Wechselstrom, weil diese Form der elektrischen Energie in Transformern auf einfache Weise von kostengünstig übertragbarer Hochspannung auf die relativ ungefährliche Netzspannung von 220 Volt gebracht werden konnte.
Hochleistungs-Halbleitertechnologie aus der Schweiz
In dieses Jahrhundert der physikalischen Entwicklung fiel die Erfindung des Transistors im Jahr 1947 durch die Physiker Shockely, Bardeen und Brattain in den Bell Laboratories in den USA. Diese Durchbruchserfindung der Halbleitertechnologie gestattete das Schalten von Gleichstömen ohne mechanische Elemente. Es waren vor allem Forschungsarbeiten im damaligen Schweizer Elektro- und Elektronikkonzern BBC (Brown, Boveri & Cie), dank deren die Hochleistungselektronik von der damaligen Röhren- in die heute übliche Halbleitertechnologie überführt werden konnte. Die im Jahr 1987 mit der schwedischen Automatikfirma Asea zur ABB fusionierte BBC ist heute wie damals führend in der Entwicklung und im Weltmarkt der Hochleistungs-Halbleitertechnologie.
Die durchgängige Verwendung von Gleichstrom in der Rechenzentertechnologie ist lediglich die neueste Sparte, in der diese Form der Elektronik Eingang findet. Vor allem dank eigener Forschung und Produktion hatte ABB die Weltmarktführung in allen vier traditionellen Sparten der Hochleistungselektronik erobert:
-- Energieübertragung: Bei der Energieübertragung durch Wechselstrom tritt über lange Strecken das Blindleistungsproblem auf: Je länger die Leitung, umso grösser ihr kapazitiver und induktiver Widerstand. Dies ist bei Gleichstrom nicht der Fall, hier tritt, wie ebenfalls beim Wechselstrom, nur der unvermeidliche ohmsche Widerstand auf. Die Übertragungsleistung von Wechselstrom wird dazu durch den sogenannten Skineffekt reduziert. Der Wechselstrom fliesst primär an der Leiteroberfläche, während Gleichstrom den gesamten Leiterquerschnitt belastet. Bei Gleichstrom kann mit rund 25 Prozent weniger Übertragungsverlusten gerechnet werden, während die Leiterbelastung bei gleicher Spannung zwei bis fünf Mal höher liegen kann.
-- Elektromobilität: Elektrische Züge und Elektromobile oder Schiffe stellen geschlossene Energiesysteme dar, die mit Gleichstrom wesentlich günstiger betrieben werden können als mit Wechselstrom, da keine Energieumwandlung erforderlich ist. Ebenso können beispielsweise Litium-Autoakkus mit Gleichstrom bedeutend schneller aufgeladen werden als mit Wechselstrom aus dem traditionellen Netz.
-- Erneuerbare Energien: Sowohl Windparks als auch Solaranlagen liefern Gleichstrom, der heute noch zur Einspeisung in traditionelle Wechselstromnetze durch Umrichter gewandelt und synchronisiert werden muss.
-- Industrie: In dieser Sparte spielen vor allem leistungsstarke Gleichrichter eine dominierende Rolle. So liefern beispielsweise in Oman auf der arabischen Halbinsel fünf ABB-Gleichrichtergruppen Gleichstrom von 1'650 Volt und insgesamt 36'000 Ampere für 360 in Serie geschaltete Aluminium-Schmelzöfen. Ein weiteres Einsatzgebiet für Gleichrichter bieten in der Schwerindustrie die Lichtbogenöfen für das Schmelzen von Schrott.
Gleichstromvorteile für Rechenzentren
Das neue Rechenzenter der Green.ch in Lupfig wird im Endausbau aus drei Modulen bestehen, deren erstes eben den Betrieb aufgenommen hat. Kernkomponenten bilden dabei Einheiten der Converged Infrastructure von Hewlett-Packard (HP). Diese beziehen sich auf das Management der Facility einschliesslich von Kühlung und Lüftung, sowie Hunderter der neuen HP Gen8 Proliant Server 2H 2012, die mit 380 Volt Gleichstrom betrieben werden können, dem internen Netzwerk des Data Centers, den Speicheranlagen sowie der Security und den Sevices.
Die Gleichstromarchitektur des Rechenzenters kann gegenüber der herkömmlichen Wechselstrom-Ausführung auf zwei Umformungsstufen verzichten. Dies bedeutet weniger einzelne Komponenten, geringerem Platzbedarf sowie verbesserte Effizienz. „Wir hoffen, dass sich durch die Erkenntnisse aus diesem Pilotprojekt möglichst viele namhafte Serverproduzenten von den Vorteilen der Gleichstromtechnik überzeugen lassen“, erklärte Michael Gabriel, Leiter der Herstellung von Business Niederspannungsprodukten in den um- und ausgebauten ABB-Anlagen in Lenzburg, die das Projekt der Green.ch realisiert hatte.