Mittelspannungs-Stromverteilung in Rechenzentren

Der steigende Energiebedarf von Rechenzentren, insbesondere im Colocation-Bereich, hat neue Herausforderungen und Paradigmenwechsel in der elektrischen Planung der Anlagen mit sich gebracht. Die Implementierung interner Mittelspannungsverteilungsnetze ist notwendig geworden, um sowohl Effizienz- als auch Kostenaspekte zu berücksichtigen.

Diese Tatsache wirft neue Fragen auf, wie zum Beispiel, welches Spannungsniveau am besten geeignet ist, um den Anforderungen an Nachhaltigkeit und Effizienz gerecht zu werden.

Auswirkungen des Spannungsniveaus auf die interne Verteilung

Die für die IT-Auslegung benötigte Leistung ergibt sich aus dem Produkt der Netzspannung am Standort und dem vom Netz benötigten Strom. Eine Erhöhung der Spannung reduziert den Stromfluss in den Leitern. Umgekehrt führt eine Senkung der Spannung zu höheren Strömen in den Leitern. Die Dimensionierung der Kabel und Geräte wird direkt durch den resultierenden Strom bestimmt, was wiederum die Installationskosten beeinflusst. Doch lässt sich dieser Einfluss im Voraus abschätzen?

Nehmen wir in einem vereinfachten Szenario ein Rechenzentrum mit einer installierten Leistung von 15 MW, einem Leistungsfaktor von 1 und einer einzigen Zuleitung an. Bei einer Netzspannung von 11 kV beträgt der Strom 787 A. Wiederholen wir diese Berechnung für eine Netzspannung von 24 kV, sinkt der Strom auf etwa 360 A.

Die Erhöhung der Netzspannung reduziert den Strom durch die Zuleitung auf etwa 45 % des Stroms, der bei gleicher Leistung und niedrigerer Spannung auftreten würde. Unter der Annahme linearer und konstanter Lasten lässt sich dieses Ergebnis auf mehrere Zuleitungen und Lasten übertragen.

Darüber hinaus wissen wir aus Sicht der Leiterverluste, dass diese vom verwendeten Material abhängen und proportional zum Quadrat des durchfließenden Stroms sind. Das bedeutet, dass die Verluste mit linear steigendem Strom exponentiell zunehmen.

Durch eine ähnliche Berechnung wie die vorherige können wir feststellen, dass die Leiterverluste um bis zu 80 % reduziert werden können, indem man einfach die Spannung von 11 kV auf 24 kV erhöht.

Aus Kostensicht trägt die Erhöhung der Spannung nicht nur dazu bei, Verluste zu vermeiden und die Effizienz (OPEX) zu verbessern, sondern reduziert auch den Leiterquerschnitt, was zu Einsparungen in der Bauphase (CAPEX) führt.

GWP-Index von Mittelspannungsschaltanlagen

Vor Inkrafttreten der EU-Verordnung 2024/573 waren SF6-isolierte GIS-Lösungen die beste Option bei der Auswahl von Mittelspannungsschaltanlagen, typischerweise für 24 kV und 36 kV. SF6-isolierte Schaltanlagen gewährleisten einen sicheren Betrieb bei kompakten Abmessungen im Vergleich zu Hybrid-Schaltanlagen (Vakuumschaltung und Luftisolierung), haben jedoch den erheblichen Nachteil des hohen Treibhauspotenzials (GWP) von SF6-Gas. Obwohl diese Anlagen das Gas im Tank einschließen, sind beim Umgang mit ihnen Vorsichtsmaßnahmen erforderlich, da ein Leck erhebliche Auswirkungen als Treibhausgas hat – mit einer Wirkung, die etwa 23.500-mal höher ist als die von CO₂-Äquivalenten. Darüber hinaus ist eine sachgemäße Entsorgung dieser Anlagen am Ende ihres Lebenszyklus notwendig.

Diese Faktoren waren bisher maßgeblich für die Auswahl der Schaltanlagen, wobei luftisolierte Schaltanlagen bevorzugt wurden und sich folglich auch auf die Wahl der Spannungsebene auswirkten.

Die Umsetzung der genannten Verordnung, die den Einsatz von dielektrischen Gasen anhand des GWP-Werts verschiedener Lösungen begrenzt, hat sich nicht als Bedrohung, sondern als große Chance für die Branche erwiesen, vor allem aufgrund des damit verbundenen technologischen Wandels. Die Umsetzung der EU-Verordnung wird ab 2026 neue Maßstäbe für das 24-kV-Produktsortiment setzen. Schaltanlagenhersteller präsentieren bereits SF6-freie Lösungen, die die Leistung herkömmlicher SF6-GIS-Schaltanlagen erreichen.

Diese Innovation ermöglicht es uns, die Vorteile einer höheren Spannungsebene, wie z. B. 24 kV, zu nutzen und gleichzeitig die Vorteile von GIS-Schaltanlagen ohne die Nachteile der SF6-Technologie zu kombinieren.

Bei Ormazabal haben wir Lösungen entwickelt, die mit natürlicher Industrieluft und ohne fluorierte Gase arbeiten und so hohe Leistung, Zuverlässigkeit und Sicherheit gewährleisten. Dadurch können Betreiber unsere Lösungen mit“Null Unsicherheiten”im Hinblick auf Umwelt-, Gesundheits- oder Sicherheitsbedenken unter Einhaltung der europäischen Vorschriften für fluorierte Gase und der Ziele der Klimaneutralität.

Mit diesen Innovationen bringen wir Produkte auf den Markt, die den nachhaltigen Wandel der Stromnetze ermöglichen, die Integration erneuerbarer Energien und die Elektrifizierung der Gesellschaft erleichtern und unser Engagement für die Transformation der Netze hin zu einer SF6-freien Zukunft bekräftigen.

Schlussfolgerungen

Der steigende Strombedarf von Rechenzentren und die Notwendigkeit, der Nachhaltigkeit Priorität einzuräumen, legen die Notwendigkeit nahe, das Spannungsniveau in Umspannwerken auf etwa 24 kV anzuheben.

Durch eine Erhöhung der Spannung von 11 kV auf 24 kV können die Verluste um bis zu 80 % reduziert werden.

Bislang waren für hohe Spannungspegel SF6-isolierte GIS-Schaltanlagen erforderlich, da luftisolierte (Vakuum-)Schaltanlagen sperrig und wartungsintensiv waren und Betriebsrisiken bargen.

Durch die Erhöhung des Spannungsniveaus kann auch die Leitergröße optimiert werden, was zu Kosteneinsparungen führt.

Ab 2026 wird Ormazabal sein SF6-freies Produkt bis zu 24 kV für die Sekundär- und Primärverteilung mit einem GWP<1 auf den Markt bringen und damit das Beste aus beiden Welten vereinen: die Reduzierung von Verlusten durch Erhöhung des Spannungsniveaus ohne die Nachteile von SF6-isolierten Schaltanlagen.