Skizze eines DC-Rechenzentrums mit supraleitender Stromverteilung für maximale Effizienz und Nachhaltigkeit

In den letzten 20 Jahren hat kein anderer Wirtschaftszweig so viel Wachstum und Wertsteigerung erfahren wie Technologieunternehmen. Unternehmen wie Google, Apple und Amazon haben sich zu Global Playern entwickelt und gehören zu den am höchsten bewerteten Unternehmen weltweit. Mit Hilfe des technologischen und kommunikativen Fortschritts ist unser Leben zunehmend vernetzt, und ein Großteil dieser Vernetzung findet online statt.

Rechenzentren sind das Herzstück des modernen Geschäftsverkehrs. Sie sind im Wesentlichen Strukturen, die große Mengen an Strom verbrauchen, um große Mengen an Informationen zu speichern, weiterzuleiten und in die ganze Welt zu übertragen.  Rechenzentren, die in Regionen mit ausreichender Stromversorgung angesiedelt sind, benötigen eine hohe Zuverlässigkeit, um eine durchgehende Betriebszeit zu gewährleisten. Derzeit sind in Deutschland 1,3 GW an IT-Leistung installiert, und bis 2029 werden weitere 2 GW installiert werden [1]. Laut der Studie des Verbandes Deutscher Rechenzentren entspricht dieser Zuwachs einer Investition von rund 24 Milliarden Euro in den nächsten 5 Jahren.

Die Leistung pro Rack ist in den letzten Jahren stetig gestiegen. Mit dem Aufschwung der KI‑Technologie wird sie voraussichtlich weiter steigen. Für die nahe Zukunft sind Leistungswerte von 200 kW pro Rack geplant. Die Bewältigung einer derartigen Wärmelast ist mit herkömmlichen luftgekühlten Servern nicht möglich, so dass die Betreiber von Rechenzentren auf Flüssigkeitskühlung umsteigen. Das neue Energieeffizienzgesetz in Deutschland zwingt die Betreiber von Rechenzentren zusätzlich zu mehr Effizienz. PUEs von 1,2 und eine Wärmerückgewinnung von 20% werden für neue Rechenzentren bis 2030 verpflichtend.

Das Erreichen der Effizienzziele mit herkömmlicher Wechselstromtechnik stellt die Betreiber von Rechenzentren vor eine Herausforderung. Um die Effizienz mit konventioneller (Kupfer und Aluminium) Technologie zu erhöhen, wird die Spannung erhöht, um den Betriebsstrom und die daraus resultierende Wärmeentwicklung zu reduzieren. Es gibt Konzepte zur Verwendung von Mittelspannungskabeln im Rechenzentrum und zur Umstellung der USV (unterbrechungsfreie Stromversorgung) auf Mittelspannung. Dies wird die Größe und die Kosten des Rechenzentrums und der angeschlossenen Konverter erhöhen.

Die Reduzierung der Kühlleistung und der Betrieb der Hardware bei höheren Temperaturen ist eine weitere Möglichkeit, den PUE-Wert zu senken. Damit wird eine kurzfristig höhere Effizienz gegen eine kürzere Lebensdauer der IT-Hardware eingetauscht, was keine nachhaltige Lösung darstellt. Flüssigkeitskühlung, entweder Immersion oder Direct-to-Chip, ist eine weitere Alternative, da sie effizienter ist als die Kühlung von Servern mit Lüftern und mehr Wärme für die Wärmerückgewinnung bietet.

Heutige Rechenzentren haben eine Leistungsdichte von etwa 10‑ 20 kW/m² , 30-40 kW/m²  für Hochleistungsrechenzentren (HPC). Sie verwenden traditionell ein Wechselstromverteilungssystem, während Backup-Batterien und Server mit Gleichstrom (DC) betrieben werden. Diese Diskrepanz führt zu mehreren Spannungsebenen, verschiedenen AC/DC-Umwandlungen und zusätzlicher Wärmeentwicklung, die abgeführt werden muss. Der MS-Strom wird vom angeschlossenen Versorgungsnetz geliefert, dann heruntertransformiert und an die Stromverteilungseinheiten (PDUs) verteilt. Von hier aus wird der Strom zu den einzelnen RPPs (Remote Power Panel) geleitet und schließlich in den Power Shelves des Racks in Gleichstrom umgewandelt. Vom MS-Anschluss aus durchläuft der Strom drei Umwandlungen, wobei jeder Schritt einen ‑nicht unerheblichen ‑Leistungsverlust mit sich bringt.

Es gibt jedoch eine Möglichkeit, die Umwandlungsverluste zu beseitigen und gleichzeitig die elektrischen Verluste zu verringern: durch den Einsatz von Gleichstromverteilungen und Supraleitern. Ein Gleichstromverteilungssystem macht die herkömmliche, obligatorische Infrastruktur überflüssig und verringert die erforderliche Kühlleistung, was die Effizienz erhöht und die Materialkosten senkt.

Die Lösung: EOS Rechenzentrum

Supraleiter haben keinen Gleichstromwiderstand und hohe Stromdichten, so dass die Verteilerspannung auf die Spannung der USV (380 V) eingestellt werden kann. Da die IT-Hardware ohnehin mit Gleichstrom betrieben wird, versorgt ein DC-DC Power Shelf das Rack mit Strom. Die Unterschiede zwischen den beiden Infrastrukturen sind in folgender Abbildung zu sehen Abbildung 1.

Die Kühlung erfolgt über einen Strom aus flüssigem Stickstoff (LN2), der durch die Verteilungsleitung zu den Abzweigungen und zurück zu den Kühlmaschinen gepumpt wird. Wenn die Racks mit Flüssigkeit gekühlt werden, kann eine Wärmerückgewinnung implementiert werden, die sowohl die Wärme der IT-Hardware als auch die Wärme der Kältemaschinen nutzt, was zu einer unglaublichen Effizienz führt. Die Reduzierung der Komponenten erhöht auch die Zuverlässigkeit des Systems, da weniger Komponenten zu weniger Ausfällen führen.

All diese Vorteile sind im EOS-Rechenzentrum vereint. Das Konzept besteht aus Pods, die 32 120‑kW-Racks beherbergen, 16 pro Gang. Zwei supraleitende Verteilersysteme versorgen insgesamt 14 Pods, was eine Gesamtleistung von 55 MW ergibt. Jedes supraleitende Verteilersystem ist so ausgelegt, dass es das gesamte Rechenzentrum mit Strom versorgt und eine Stromredundanz herstellt. Innerhalb der Pods ist ein Abzweigkasten direkt mit den Racks verbunden. Die 380 VDC-Verteilungsspannung wird von einem DC-DC Power Shelf heruntergestuft.

EOS kombiniert diese elektrische Infrastruktur mit den nachhaltigen Baumaterialien des Wooden Data Center und einem Flüssigkeitskühlsystem. Die Wärme wird wiederverwendet und die Wärmeabgabe der Kühlmaschinen wird integriert. Dies erhöht die Nachhaltigkeit in allen Bereichen.

Vergleich mit einem herkömmlichen AC-System

Der Vergleich der Systeme kann mit Hilfe einer groben Größenordnung durchgeführt werden. Zunächst wird das AC-System 5 % Umwandlungsverluste enthalten [2] aufgrund der AC-DC-Umwandlung in der USV und den Wandlern. Es werden zwei verschiedene Module definiert, die Verteilung innerhalb des Pods und die Verteilung an die Pods.

Die Investitionskosten des Wechselstromsystems bestehen aus den Kosten für Kupferleitungen. Die Größe und das Gewicht des Kupfers werden anhand der Verteilungslänge und unter Annahme einer Stromdichte von 1,2 A/mm² berechnet. Damit wird nicht nur das Gesamtgewicht berechnet, sondern auch der elektrische Widerstand, der zur Abschätzung der elektrischen Verluste herangezogen wird. Die Spannung der Wechselstromverteilung zu den Pods wird 400 VAC und innerhalb der Pods 230 VAC betragen. Für die Kupferleiter wird ein Preis von 15 EUR/kg angenommen.

Das supraleitende System besteht aus vier Hauptteilen: den HTS-Leitern, dem Kryostaten, den Stromzuführungen/-abzweigungen und einer Kühlstation. Der Wärmeverlust des supraleitenden Verteilungssystems wird mit 2 W/m angenommen, wobei die Stromzuführung und die Abzweigungen eine Kühlleistung von 50 W/kA benötigen. Der Kühlbedarf wird addiert und durch den Wirkungsgrad von 7 % geteilt, um die Stromkosten bei Raumtemperatur zu ermitteln. Eine Stromzuführung wird auf 105.000 EUR und eine Abzweigung auf 10.000 EUR geschätzt. Die Kosten für den Kryostaten werden auf 500 EUR/m geschätzt, die Kosten für Supraleiter auf 150 EUR/kAm.

Im Vergleich zu einem konventionellen Wechselstromsystem ist ein höherer Investitionsaufwand zu berücksichtigen. Die Kühlstation, die thermische Isolierung und die Supraleiter führen zu höheren Anschaffungskosten als bei einem herkömmlichen Kupfersystem. Die Betriebskosten sind jedoch niedriger, was zu einer Amortisationszeit von weniger als zwei Jahren führt. Die supraleitende Verteilung spart außerdem Platz, ermöglicht eine noch nie dagewesene Leistungsdichte innerhalb des Rechenzentrums und reduziert die Grundstückskosten.

Die vereinfachte Gleichstrominfrastruktur ist ein weiterer zusätzlicher Vorteil: Transformationsverluste im Rechenzentrum werden vermieden. Es gibt mehrere Konverter und Power Shelves, die 380 VDC zur Versorgung der IT-Geräte herabsetzen können. Außerdem entspricht dieses Spannungsniveau der kürzlich geschaffenen Norm für Gleichstromleitungen [IEC TS 63236]. Das Gleichstromnetz kann um PV-Anlagen, Elektrolyseure und Brennstoffzellen erweitert werden. Dies sind Komponenten, die von Natur aus DC sind. Auch die Windenergie kann auf Gleichstrombasis einbezogen werden. Windkraftanlagen verfügen über eine Gleichrichterstufe, bevor sie in 50/60-Hz-Wechselstrom umgewandelt werden. Eine Implementierung in dieser Gleichrichtungsstufe würde weitere Umwandlungsverluste einsparen. Die Einspeisung von erneuerbaren Energien in dieses Netz wird sehr effizient sein, und die Betreiber können die Einführung eines "Energy-as-a-Service"-Systems in Betracht ziehen. Die niedrigen Betriebskosten würden dieses System rentabler machen als die konventionellen Gegenstücke.

Fazit

Aufgrund der jüngsten Entwicklungen steigt die Rack-Leistung im Rechenzentrum und bringt die herkömmliche Technologie an ihre Grenzen. An dieser Stelle können Supraleiter Rechenzentren verbessern und modernisieren. Das EOS-Rechenzentrumskonzept wurde beschrieben, und es wurde eine Kostenschätzung durchgeführt, in der das System mit einem konventionellen Rechenzentrum verglichen wurde. Es wurde gezeigt, dass Supraleiter die elektrischen Verluste des Verteilsystems eliminieren und eine hohe Rack-Leistung ermöglicht, ohne dass Mittelspannung in dem Rechenzentrum verwendet werden muss.

Es gibt noch mehr Vorteile. Die Skalierbarkeit ist ein wichtiges Merkmal, das zu berücksichtigen ist. Je höher die Leistung, desto wirtschaftlicher wird ein supraleitendes Rechenzentrum. Durch die Einbeziehung erneuerbarer Energien oder die Ausweitung des supraleitenden Netzes auf lokale Prosumer wird ein noch größerer Wert geschaffen. Die Leistungsdichte der supraleitenden Verteilung und die Flüssigkeitskühlung ermöglichen hohe Leistungsdichten innerhalb des White Space. Das Design des Wooden Data Center und die angeschlossenen erneuerbaren Energien werden ein Netto-Null-Rechenzentrum schaffen. All diese Vorteile zeigen, dass Supraleiter eine kostensparende Lösung für die Herausforderungen der Rechenzentrumsbranche bieten.

Referenzen

[1]        German Data Centers, "Data center impact report Deutschland," 2024. [Online]. Available: https://www.germandatacenters.com/….

[2]        J. V. Minervini, "Superconducting Power Distribution for the Data Center," in 3rd Annual Green Technology Conference, New York, 2010.

[3]        U. T. T. M. H. B. P. B. S. J. a. R. T. B. R. Shrestha, "Efficiency and Reliability Analyses of AC and 380V DC Distribution in Data Centers," IEEE Access, no. 4, 2016.

[4]        P. K. a. T. V. A. A. Pratt, "Evaluation of 400V DC distribution in telco and data centers to improve energy efficiency," Proc. 29th IEEE Int. Telecommun. Energy Conf., pp. 32 – 39, 2007.

[5]        N. R. a. J. Spitaels, "A quantitative comparison of high efficiency AC vs. DC power distribution for data centers," American Power Conversion (APC) White Paper, no. 127, 2007.

[6]        J. Stark, "380 V DC Power: Shaping the Future of Data Center energy Efficiency," Industry Perspectives, June 2015.

[7]        D. Sterlace, "Direct current in the data center: are we there yet?" ABB, Jan. 2020.

[8]        F. S. A. Grüter, "Advantages of a DC power supply in data center," 2012.

[9]        M. Ton, B. Fortenbery and W. Tschudi, "DC Power for Improved Data Center Efficiency," Lawrence Berkely National LAboratory, March 2008.