Mittelspannungs-Stromverteilung in Rechenzentren

Der steigende Energiebedarf von Rechenzentren, insbesondere im Colocation-Sektor, stellt neue Herausforderungen und Paradigmenwechsel bei der elektrischen Anlagenplanung dar. Aus Effizienz- und Kostengründen ist die Implementierung interner Mittelspannungsverteilungsnetze notwendig geworden.

Dies wirft neue Fragen auf, beispielsweise nach der geeignetsten Spannungsebene, um Nachhaltigkeits- und Effizienzanforderungen zu erfüllen.

Einfluss der Spannungsebene auf die interne Verteilung

Die Auslegungsleistung der IT ist eine Funktion des Produkts aus der Netzspannung am Standort und der vom Netz geforderten Stromstärke. Eine Erhöhung der Spannung reduziert den Strom durch die Leiter. Umgekehrt führt eine Verringerung der Spannung zu höheren Strömen durch die Leiter. Die Größe von Kabeln und Geräten wird direkt durch den resultierenden Strom bestimmt, was sich wiederum auf die Installationskosten auswirkt. Aber lässt sich dieser Einfluss im Voraus berechnen?

Nehmen wir ein vereinfachtes Szenario eines Rechenzentrums mit einer installierten Leistung von 15 MW, einem Leistungsfaktor von 1 und einer einzigen Einspeisung an. Bei einer Netzspannung von 11 kV würde der Strom 787 A betragen. Wiederholen wir diese Berechnung für eine Netzspannung von 24 kV, sinkt der Strom auf etwa 360 A.

Durch die Erhöhung der Netzspannung reduziert sich der Strom durch die Zuleitung auf etwa 45 % des Wertes, der bei gleicher Leistung auf niedrigerem Spannungsniveau fließen würde. Unter der Annahme linearer und konstanter Lasten können wir dieses Ergebnis auf mehrere Zuleitungen und Lasten extrapolieren.

Darüber hinaus wissen wir aus Sicht der Leiterverluste, dass diese vom Material der Leitung abhängen und proportional zum Quadrat des durch sie fließenden Stroms sind. Dies bedeutet, dass die Verluste mit linearem Stromanstieg exponentiell ansteigen.

Durch eine ähnliche Berechnung wie die vorherige können wir feststellen, dass die Leiterverluste allein durch eine Erhöhung des Spannungsniveaus von 11 kV auf 24 kV um bis zu 80 % reduziert werden können.

Aus Kostensicht hilft eine Erhöhung des Spannungsniveaus nicht nur dabei, Verluste zu vermeiden und die Effizienz zu verbessern (OPEX), sondern reduziert auch die Größe der Leiter, was während der Bauphase Einsparungen bringt (CAPEX).

GWP-Index der Spannung mittlerer Schaltanlagen

Vor Inkrafttreten der EU-Verordnung 2024/573 waren SF6-isolierte GIS-Lösungen die bevorzugte Option bei der Auswahl von Mittelspannungsschaltanlagen, typischerweise auf den Spannungsebenen 24 kV und 36 kV. SF6-isolierte Schaltanlagen gewährleisten einen sicheren Betrieb bei kompakten Abmessungen im Vergleich zu Hybridschaltanlagen (Vakuumschaltung und Luftisolierung), haben jedoch den erheblichen Nachteil des hohen GWP (Treibhauspotenzial) von SF6-Gas. Obwohl diese Art von Ausrüstung das Gas im Tank abdichtet, müssen beim Umgang damit Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, da ein Leck erhebliche Auswirkungen als Treibhausgas hat, etwa 23.500-mal höher als das CO2-Äquivalent. Darüber hinaus ist eine ordnungsgemäße Behandlung dieser Anlagen am Ende ihres Lebenszyklus erforderlich.

Diese Faktoren waren bisher bei der Auswahl der Schaltanlage sehr entscheidend, wobei luftisolierte Schaltanlagen bevorzugt wurden und sich folglich auf die Wahl des Spannungsniveaus auswirkten.

Die Anwendung der oben genannten Verordnung, die die Verwendung dielektrischer Gase je nach GWP-Wert der verschiedenen Lösungen beschränkt, stellte für den Sektor keine Bedrohung, sondern eine große Chance dar, vor allem aufgrund des damit verbundenen technologischen Wandels. Die Umsetzung der EU-Verordnung wird ab 2026 neue Grenzwerte für die 24-kV-Produktpalette festlegen. Schaltanlagenhersteller präsentieren jetzt SF6-freie Lösungen, die der Leistung herkömmlicher SF6-GIS-Schaltanlagen entsprechen.

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 natürliche Industrieluft verwenden und ohne fluorierte Gase auskommen und so hohe Leistung, Zuverlässigkeit und Sicherheit garantieren. Dies ermöglicht es den Betreibern, unsere Lösungen ohne jegliche Unsicherheiten hinsichtlich Umwelt-, Gesundheits- oder Sicherheitsbedenken einzusetzen und gleichzeitig die europäischen Vorschriften zu fluorierten Gasen und die Ziele der Klimaneutralität einzuhalten.

Mit diesen Innovationen bringen wir Produkte auf den Markt, die eine nachhaltige Umstellung des Stromnetzes ermöglichen, die Integration erneuerbarer Energien und die Elektrifizierung der Gesellschaft erleichtern und unser Engagement bekräftigen, die Umstellung der Netze in eine Zukunft ohne SF6 anzuführen.

Schlussfolgerungen

Der wachsende Energiebedarf von Rechenzentren und die Notwendigkeit, Nachhaltigkeit zu priorisieren, legen die Notwendigkeit nahe, die Spannung in Umspannwerken zu erhöhen, um rund 24 kV.

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

Bisher waren für hohe Spannungen SF6-isolierte GIS-Schaltanlagen erforderlich, da luftisolierte Schaltanlagen (Vakuumschaltung) sperrig und wartungsintensiv waren und Betriebsrisiken bargen.

Durch die Erhöhung der Spannung kann zudem der Leiterquerschnitt optimiert werden, was zu Kosteneinsparungen führt.

Ab 2026 wird Ormazabal den Markt mit seinem SF6-freien Produkt bis 24 kV für die Sekundär- und Primärverteilung mit einem GWP<1 versorgen und so das Beste aus beiden Welten kombinieren: Verlustreduzierung durch Anhebung des Spannungsniveaus ohne die Nachteile von SF6-isolierten Schaltanlagen.