Einsatz von Energiespeichersystemen zur Optimierung der Zuverlässigkeit und Nachhaltigkeit von Rechenzentren

Energie ist für Rechenzentren von entscheidender Bedeutung und mit hohen Kosten verbunden. Durch die Ergänzung um ein Batterie-Energiespeichersystem (BESS) können die Zuverlässigkeit und Nachhaltigkeit von Rechenzentren verbessert werden, indem erneuerbare Energiequellen unterstützt, eine kontinuierliche Energieverfügbarkeit gewährleistet und die Betriebskosten gesenkt werden. Batteriepolverbinder sind eine Schlüsselkomponente, die es einem BESS ermöglicht, maximale Vorteile zu bieten.

BESS-Batteriepolverbinder müssen Eigenschaften wie hohe mechanische Festigkeit, Schutzart IP67 und sichere, zuverlässige Verbindungen aufweisen, um hohe Ströme und Spannungen zu bewältigen. Sie sollten außerdem einfach zu installieren und zu warten sein, über einen Verpolungsschutz verfügen, um Anschlussfehler zu vermeiden, und mit Verriegelungsmechanismen ausgestattet sein, um ein versehentliches Trennen der Verbindung zu verhindern. Sie müssen außerdem die Anforderungen der UL-Norm 4128 erfüllen.

Dieser Artikel befasst sich mit den Faktoren, die den steigenden Energieverbrauch in Rechenzentren verursachen, und wie sich dies auf die Konstruktion unterbrechungsfreier Stromversorgungssysteme (USV) auswirkt. Danach werden die Vorteile modularer BESS in Rechenzentren hinsichtlich Zuverlässigkeit und Nachhaltigkeit betrachtet und die Leistungsanforderungen für Batteriepolverbinder mit Schwerpunkt auf UL 4128 untersucht. Abschließend wird aufgezeigt, wie Batteriepolverbinder und Kabelkonfektionen von Weidmüller ein proaktives Energiemanagement unterstützen und zur erfolgreichen und leistungsstarken Implementierung von BESS-Installationen in Rechenzentren beitragen können.

Die zunehmende Rack-Dichte in Cloud-Rechenzentren, die durch den Aufstieg der künstlichen Intelligenz (KI) und des maschinellen Lernens (ML) vorangetrieben wird, erhöht den Strombedarf erheblich. Der Energieverbrauch von Rechenzentren wird sich zwischen 2024 und 2030 voraussichtlich verdreifachen und damit einen Anteil am gesamten Stromverbrauch von etwa 3 bis 4 Prozent im Jahr 2024 auf 11 bis 12 Prozent im Jahr 2030 steigen (Abbildung 1).

Abbildung 1: Zwischen 2024 und 2030 wird sich der Energieverbrauch von Rechenzentren in den USA gemessen am Anteil am Gesamtstromverbrauch (vertikale Achse) voraussichtlich verdreifachen. (Bildquelle: Weidmüller)

Evolution der Leistungsarchitektur

Der Anstieg des Stromverbrauchs führt zu erheblichen Veränderungen in der Stromarchitektur von Rechenzentren, einschließlich einer Neukonzeption der USV-Systeme, um die Anforderungen an eine robuste Stromversorgung zu erfüllen, die Nachhaltigkeit zu verbessern und die steigenden Energiekosten zu bewältigen.

Bisher wurde eine USV hauptsächlich zur kurzfristigen Stromversorgung während des Startvorgangs eines Motorgenerators verwendet, der das Rechenzentrum bei Ausfällen der Hauptstromversorgung mit Strom versorgen sollte. Das hat sich geändert.

Eine USV wird zunehmend als primäre Notstromquelle angesehen, um die von Motorgeneratoren erzeugten Treibhausgase zu reduzieren oder ganz zu vermeiden. Dies stellt höhere Anforderungen an die Konstruktion von USV-Systemen. Skalierbarkeit und Flexibilität sind zu wichtigen Merkmalen geworden.

Ein modularer Aufbau ermöglicht die Skalierung des BESS, um längere Laufzeiten und andere Funktionen, wie die Integration erneuerbarer Energiequellen, zu unterstützen. Darüber hinaus werden herkömmliche ventilgeregelte Blei-Säure-Batterien (VRLA) durch Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ionen) ersetzt. Die neue Batterietechnologie zeichnet sich durch längere Lebenszyklen, schnellere Ladezeiten und höhere Energiedichten aus – allesamt Eigenschaften, die in Rechenzentren mit steigendem Energiebedarf sehr geschätzt werden.

Modulare USVs mit Li-Ionen-basierten BESS sind auch einfacher zu warten als VRLA-Lösungen, bei denen die Batterien viel häufiger ausgetauscht werden müssen. Das Hinzufügen und Entfernen von Modulen über Batteriepolanschlüsse ist ebenfalls eine kostengünstige Möglichkeit, um den wechselnden Strombedarf von Rechenzentren zu decken.

Batteriepolverbinder sind ebenfalls wichtig für die Sicherheit und Effizienz in modularen BESS. Diese BESS-Designs können herkömmliche Batterie-Racks innerhalb des Rechenzentrums sein. Sie können jedoch auch in einer containerisierten Lösung neben dem Rechenzentrum aufgestellt werden, wodurch wertvoller Platz im Rechenzentrum für Server, Speicher, Kommunikation und andere wichtige Elektronikkomponenten frei wird, die den steigenden Anforderungen an Rechenleistung und Vernetzung gerecht werden (Abbildung 2).

Abbildung 2: Modulare BESS-Installationen können auf containerisierten Lösungen basieren, wie oben dargestellt, oder aus Batterie- und Stromrichter-Racks aufgebaut werden, die in einem Rechenzentrum untergebracht sind. (Bildquelle: Weidmüller)

Integration mit erneuerbaren Energiequellen

Rechenzentren verbrauchen nicht nur mehr Strom, sondern auch die Kosten pro Kilowattstunde (kWh) steigen, was die Herausforderungen in Bezug auf Kosten und Nachhaltigkeit noch verschärft. Um diesen Bedenken Rechnung zu tragen, werden erneuerbare Energiequellen wie Solarenergie in Rechenzentren integriert. Auch hier bieten modulare BESS-Konstruktionen mit Batteriepolanschlüssen die erforderliche Flexibilität.

Der steigende Energieverbrauch von Rechenzentren führt auch zu der Erwartung, dass die Betreiber von Rechenzentren sich als gute Verwalter der Umwelt erweisen. Neben direkten Energiekosteneinsparungen können Betreiber von Rechenzentren auch Spitzenlasten reduzieren, die Nachfrage steuern und andere Tools nutzen, um sekundäre Kostenvorteile zu erzielen.

Ein BESS kann wertvolle Netzdienstleistungen wie Frequenzregelung und Spannungsunterstützung bereitstellen und so die Netzstabilität verbessern. In einer Campusumgebung kann ein BESS Teil eines Mikronetzes sein, das die Inselbildung unterstützt und unabhängig vom Netz betrieben wird.

Das BESS kann Energieverbrauchsstrukturen verändern, indem es erneuerbare Energien in Zeiten geringer Nachfrage speichert und in Spitzenlastzeiten nutzt. Dadurch wird die Belastung des Stromnetzes reduziert und die Kosten werden ausgeglichen, da Energieversorger in Spitzenzeiten oft höhere Tarife berechnen.

UL 4128 für BESS-Steckverbinder

Die UL-Norm 4128 enthält detaillierte Anforderungen an die zusammenpassenden Hälften von Steckverbindern, die zum Verbinden von Batteriezellen (Intercell) und Batteriestufen (Intertier) in einem BESS verwendet werden. Die Norm gilt für Kabel, Kabelverbinder und Gegensteckteile mit einer Nennspannung von bis zu 2000 V, die nicht zum Verbinden oder Trennen unter Last bestimmt sind.

Der Stecker muss vollständig eingesteckt und verriegelt sein, bevor er mit Strom versorgt wird. Selbst eine geringfügige Bewegung des Steckverbinders kann die Kontaktfläche verringern, den Kontaktwiderstand erhöhen und einen Hotspot verursachen, der zu einem Brand führen kann. Die Verriegelungsfunktion ist wichtig für die Sicherheit des BESS. Darüber hinaus darf die Zugbelastung der Steckverbinder in einer Kabelkonfektion den angegebenen Grenzwert nicht überschreiten.

Die Steckverbinder sind für die Verwendung mit Leitern aus Kupfer oder Kupferlegierungen ausgelegt und für mindestens +90 °C ausgelegt. Sie sind für die Montage im Werk oder vor Ort vorgesehen und können sowohl im Außen- als auch im Innenbereich eingesetzt werden, wobei sie über 100 mechanische Steck- und Trennvorgänge (ohne Last) aushalten können.

UL4128-konforme Steckverbinder sind nicht für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen vorgesehen. Daher sollte auf alle nicht verwendeten Steckverbinder eine Schutzkappe aufgesetzt werden. Schließlich können Verbrennungswarnungen erforderlich sein, wenn Steckverbinder bei hohen Umgebungstemperaturen verwendet werden.

Batteriepolsteckverbinder

Batteriepolverbinder, insbesondere solche, die die Anforderungen der UL 4128 erfüllen, wurden entwickelt, um im Vergleich zu einfachen und kostengünstigen Kabelschuh-Verdrahtungsbaugruppen eine überlegene Performance und Sicherheit in einem Hochleistungs-BESS zu bieten.

Kabelschuhverbindungen bieten nicht die Flexibilität, die in einem modularen BESS erforderlich ist. Sie erfordern eine manuelle Verbindung und das Festziehen der Muttern an jeder Öse. Das ist zu arbeitsintensiv und fehleranfällig. Wenn die Mutter nicht richtig angezogen ist, entsteht außerdem eine Verbindung mit hohem Widerstand, die Wärme erzeugt, Energie verschwendet und eine potenzielle Brandgefahr darstellt.

Der fehlende Umweltschutz und die Robustheit der Kabelschuhverbindungen können langfristig zu einem unzuverlässigen Betrieb führen. Kabelschuhe sind nicht berührungssicher und können ein ernsthaftes Sicherheitsrisiko für Installateure darstellen, wenn hohe Energiepegel vorhanden sind.

Anstelle von Kabelschuhen können Entwickler auf farbcodierte Batteriepoleanschlüsse zurückgreifen, die UL 4128 entsprechen (Abbildung 3). Die Farbcodierung gemäß UL-Norm (orange für positiv und schwarz für negativ) wird an den Kabelsteckern und Sammelschienenanschlüssen verwendet, um eine visuelle Kennzeichnung zu schaffen und die Montage zu beschleunigen.

Abbildung 3: Batteriepolverbinder ermöglichen schnelle und effiziente Verbindungen in modularen BESS und sind wichtig für die Sicherheit und Effizienz. (Bildquelle: Weidmüller)

Die Batteriepolanschlüsse sind nicht nur farblich gekennzeichnet, sondern auch mechanisch für positive und negative Anschlüsse kodiert, wodurch jegliche Möglichkeit eines Montagefehlers beim Zusammenstecken der Anschlüsse ausgeschlossen ist. Durch die Kodierung der Batteriepolanschlüsse von Weidmüller kann der Steckverbinder in jeder Ausrichtung zusammengesteckt werden, wodurch die mechanische Belastung der Kabelkonfektionierung minimiert wird.

Der Verriegelungsmechanismus erfüllt die UL-Anforderung, dass der Stecker vollständig eingesteckt und verriegelt sein muss, bevor er unter Spannung gesetzt wird. Die Kontakte werden getrennt, bevor der Stecker abgezogen werden kann, wodurch die Gefahr eines gefährlichen Lichtbogens bei einer unbeabsichtigten Trennung unter Last ausgeschlossen ist.

Die Kontakte bestehen aus einer mit Silber beschichteten Kupferlegierung, um den Kontaktwiderstand zu minimieren. Sie sind gemäß UL 4128 zugelassen und für mehr als 100 mechanische Steck- und Trennvorgänge ausgelegt.

Weidmüller-Batterieanschlüsse (WBCs) sind für raue Umgebungsbedingungen ausgelegt und entsprechen der Schutzart IP67 zum Schutz gegen das Eindringen von Staub und Wasser. Durch die geschützte Befestigungsseite sind sie berührungssicher.

UL 4128 legt nicht das Material des Steckverbindergehäuses fest, sondern nur dessen Leistungsanforderungen. WBCs werden aus Polyamid 66 (PA 66) hergestellt, einem modifizierten Thermoplast, der sich gut für den Einsatz in Batteriepolanwendungen eignet. Die Vorteile von PA 66 gegenüber herkömmlichem PA umfassen einen verbesserten Brandschutz und eine höhere Dauerbetriebstemperatur. PA 66 erfüllt auch die strengen Anforderungen für den Einsatz in Schienenfahrzeugen. Weitere Vorteile von PA 66 sind:

• Verbesserte Feuerbeständigkeit
• Enthält kein Halogen oder Phosphor
• Geringe Rauch- und Qualmentwicklung

Die WBC-Familie ermöglicht die Verbindung von Leiterquerschnitten von 16 mm² bis 95 mm², die auf der Steckerseite für bis zu 200 A ausgelegt sind. Es sind auch Kabelkonfektionen erhältlich, die den Arbeitsaufwand für die BESS-Verkabelung erheblich reduzieren (Abbildung 4). Beispiele für Batteriepolverbinder und Kabelkonfektionen von Weidmüller sind:

• 2905330000, Stecker für Minuspol, Nennwerte 120 A und 1500 V
• 2905290000, Buchse für Minuspol, Nennwerte 120 A und 1500 V
• 2905320000, Stecker für Pluspol, Nennwerte 200 A und 1500 V
• 2905380000, Buchse für Pluspol, Nennwerte 200 A und 1500 V
• 2938270000, 324 mm (12,75 Zoll) lange Kabelkonfektion, ausgelegt für 120 A und 1500 V

Abbildung 4: Beispiele für WBC-Stecker und -Buchsen und eine Kabelkonfektion mit Batteriepolverbindern. (Bildquelle: Weidmüller)

Fazit

Die Veränderungen in der Stromarchitektur großer Rechenzentren werden durch eine Kombination aus steigenden Rack-Leistungsdichten, um den Rechen- und Speicheranforderungen von KI und ML gerecht zu werden, sowie durch die steigenden Stromkosten vorangetrieben. Dies führt zu neuen USV-Konstruktionen auf Basis modularer BESS, die Batteriepolanschlüsse nutzen, um Skalierbarkeit und Modularität zu gewährleisten.

Neben der Gewährleistung einer zuverlässigen Stromversorgung ermöglichen die modularen BESS-Designs die Integration erneuerbarer Energiequellen wie Solarenergie, wodurch den Erwartungen hinsichtlich einer höheren Umweltfreundlichkeit, Nachhaltigkeit und Widerstandsfähigkeit entsprochen werden kann. Die Batteriepolanschlüsse, die diese Anforderungen erfüllen, müssen den Anforderungen der UL 4128 entsprechen, um eine sichere und effiziente Verbindung von hohen und potenziell gefährlichen Batterieenergieniveaus zu gewährleisten.

Empfohlene Lektüre:

1. Wie Microgrids und DERs die Nachhaltigkeit und Widerstandsfähigkeit von Anlagen in Industrie und Handel maximieren können
2. Verwendung intelligenter Stromverteiler zur Maximierung der Netzwerkverfügbarkeit
3. Verbindungen für die Blöcke kommerzieller Energiespeichersysteme
4. Implementierung modularer Hochleistungsverbindungen für die Ausrüstung von Unternehmensrechenzentren
5. Mit Spitzentechnologie den Energiebedarf von KI-Servern decken