Die Herausforderung der Stromversorgung von Rechenzentren meistern… mit Batterien

Der steigende Rechenbedarf von KI-Trainings- und Inferenz-Workloads führt zu einer beispiellosen Nachfrage nach Energie und setzt Stromnetze unter Druck, die nicht für eine so rasante Expansion ausgelegt waren.

Vor diesem Hintergrund entwickeln sich Batteriespeichersysteme (BESS) zu einer entscheidenden Komponente der modernen Energieinfrastruktur.

Bisher wurden Batteriespeichersysteme (BESS) hauptsächlich als Notstromversorgung eingesetzt, mittlerweile werden sie aber zunehmend in anspruchsvolle Stromversorgungssysteme integriert.

BESS verstehen

Ein Batteriespeichersystem kombiniert im Wesentlichen elektrochemische Batteriezellen, Leistungsumwandlungseinrichtungen, Wärmemanagementsysteme, Sicherheitssysteme und fortschrittliche Steuerungssoftware.

Batteriespeichersystemlösungen (BESS) von Cummins Power Generation

Während die Batteriehardware Energie speichert und abgibt, entsteht der Wert zunehmend auf der Softwareebene.

Moderne Energiemanagementsysteme (EMS) überwachen kontinuierlich Lastprofile, Netzbedingungen, Strompreise und in einigen Fällen auch Prognosen zur Erzeugung erneuerbarer Energien.

Dies ermöglicht es den Betreibern, zu optimieren, wie und wann Energie gespeichert, abgegeben oder mit anderen Energieanlagen ausgetauscht wird.

Laut Dinesh Balaji Ramaraj, Business Development and Marketing Manager bei Cummins, ist das EMS das Gehirn – es verwandelt eine Ansammlung voneinander getrennter Anlagen in ein optimiertes Kraftwerk.

„Es prognostiziert Last, Preise und Wetter und arbeitet parallel zum Stromnetz, indem es die vor Ort betriebenen Batteriespeichersysteme und die Primärstromversorgung koordiniert, um Kosten und Emissionen zu minimieren und gleichzeitig die Betriebssicherheit zu gewährleisten und Netzengpässe zu bewältigen.“

Dinesh Balaji Ramaraj, Business Development and Marketing Manager, Cummins Power Generation

Dieses Maß an Koordination gewinnt zunehmend an Bedeutung, da Rechenzentrumsbetreiber bestrebt sind, Zuverlässigkeitsanforderungen und Nachhaltigkeitsziele in Einklang zu bringen.

Der Bedarf an immer mehr Leistung

Für viele Betreiber ist die Sicherstellung einer ausreichenden Stromversorgung zu einem der größten Hindernisse für eine Expansion geworden.

Das rasante Wachstum der KI-Infrastruktur trifft auf Herausforderungen bei den Versorgungsanschlüssen und führt zu einem Engpass für die Entwickler, die zudem unter Druck stehen, Emissionen zu reduzieren und die Energieeffizienz zu verbessern.

Hinzu kommt, dass die Modernisierung der Stromnetze in vielen Regionen Jahre dauern kann, was das Problem noch verschärft.

„Die Geschwindigkeit der Leistungsumwandlung ist der wichtigste limitierende Faktor“, sagt Dinesh. „Die Warteschlangen für Netzanschlüsse erstrecken sich mittlerweile über Jahre, während der Rechenbedarf nicht warten kann.“

Infolgedessen blicken die Betreiber zunehmend über traditionelle Netzanschlüsse hinaus und verfolgen diversifiziertere Energiestrategien, die Speicherung, Vor-Ort-Erzeugung und Mikronetzsteuerung umfassen.

Warum KI-Workloads die Gleichung verändern

Traditionelle Rechenzentren weisen typischerweise relativ vorhersehbare Stromverbrauchsmuster auf.

KI-Einrichtungen, insbesondere solche, die dem Modelltraining gewidmet sind, verhalten sich anders.

„Traditionelle Rechenzentren weisen relativ konstante Lasten auf; beim KI-Training ist es genau umgekehrt: Synchronisierte GPU-Cluster [Grafikprozessoren] erreichen innerhalb von Millisekunden eine Auslastung von 100 %, was zu starken Leistungsschwankungen führt“, sagt Dinesh.

Diese raschen Schwankungen stellen eine Herausforderung für Transformatoren, Schaltanlagen, Generatoren und Netzanschlüsse dar.

Adobe Stock

BESS-Anlagen werden zunehmend als Puffer zwischen flüchtigen Rechenlasten und dem übergeordneten Stromnetz eingesetzt.

BESS als Stoßdämpfer

Eine der wichtigsten Aufgaben von Batteriespeichersystemen in modernen Rechenzentren ist die Schwingungsdämpfung (oder Laststabilisierung).

Anstatt zuzulassen, dass sich plötzliche, KI-gesteuerte Laständerungen im gesamten Stromnetz ausbreiten, können Batterien Schwankungen ausgleichen, bevor diese die vorgelagerte Infrastruktur beeinträchtigen.

Dinesh beschreibt die Rolle der Technologie mit den Worten: „BESS entwickelt sich zum Stoßdämpfer der Energiearchitektur. Seine Hauptaufgabe besteht darin, die Auswirkungen volatiler Rechenlasten auf das Stromnetz und die Erzeugungsanlagen zu entkoppeln.“

Die Reaktionszeit ist ein entscheidender Vorteil. Während herkömmliche Generatoren Zeit zum Hochfahren ihrer Leistung benötigen, reagieren moderne, wechselrichterbasierte Batteriesysteme innerhalb von Millisekunden. Dadurch eignen sie sich besonders gut für den Umgang mit transienten Ereignissen, Spannungsschwankungen und plötzlichen Laständerungen.

Integration von Netzstrom, Generatoren und Speichern

In den meisten Anlagen mit hohem Stromverbrauch ist das Batteriespeichersystem (BESS) Teil eines umfassenderen Energieökosystems, zu dem auch die Stromversorgung durch das Energieversorgungsunternehmen, Notstromaggregate, Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energien und unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme (USV) gehören können.

In diesem System liefert die Batterie die entscheidende Pufferleistung für längere Zeiträume, um den stabilen Betrieb sowohl der primären Anlagen vor Ort als auch die allgemeine Netzstabilität zu gewährleisten.

Netzanschlüsse liefern Energie in großen Mengen, Generatoren sorgen für eine längerfristige Versorgung vor Ort, und die Batterie gleicht kurzfristige Schwankungen aus.

Das Ergebnis ist ein effizientes und robustes System. Anstatt ständig auf kurzzeitige Laständerungen reagieren zu müssen, können die Generatoren näher an ihrem optimalen Wirkungsgrad arbeiten, wodurch der Verschleiß reduziert und der Kraftstoffverbrauch gesenkt wird.

Zunehmend werden Speichersysteme auch eingesetzt, um die Versorgungssicherheit zu gewährleisten, falls die Stromversorgung ausfällt.

Vollintegriertes Antriebssystem von Cummins

Beschleunigung des Rechenzentrumsausbaus

Ein weiterer potenzieller Vorteil von BESS liegt in der Beschleunigung der Projektabwicklung.

Da Batteriesysteme während Spitzenlastzeiten vorübergehend Strom liefern können, können Anlagen unter Umständen mit einem kleineren Netzanschluss betrieben werden, als sonst erforderlich wäre.

In solchen Fällen könnte die Entwicklung voranschreiten, während die Versorgungsunternehmen sich mit längerfristigen Netzausbauten befassen.

Dinesh sagt: „Wir haben gesehen, wie BESS-Systeme dazu beitragen können, dass Standorte Jahre vor einer Umspannwerksmodernisierung ans Netz gehen und die Netzanbindung dann optimal dimensioniert wird, sobald das Versorgungsunternehmen nachzieht.“

Für Betreiber, die unter starkem Druck stehen, schnell Kapazitäten online zu bringen, kann diese Flexibilität von erheblichem Wert sein.

Unterstützung der Integration erneuerbarer Energien

Erneuerbare Energien spielen eine zunehmend wichtige Rolle in den Nachhaltigkeitsstrategien von Rechenzentren. Die Erzeugung von Solar- und Windenergie ist jedoch naturgemäß schwankend, was Einrichtungen, die eine kontinuierliche und zuverlässige Stromversorgung benötigen, vor Herausforderungen stellt.

Batteriespeicher helfen, diese Lücke zu schließen, indem sie erneuerbare Energien auffangen, wenn diese verfügbar sind, und sie liefern, wenn die Nachfrage die Erzeugung übersteigt.

Diese Funktion ermöglicht es Betreibern, vorhandene Solaranlagen oder über spezielle Energielieferverträge bezogenen erneuerbaren Strom besser zu nutzen. Sie unterstützt zudem neue Ansätze zur CO₂-Reduzierung, die darauf abzielen, den Stromverbrauch stündlich mit saubererer Stromerzeugung abzugleichen, anstatt lediglich jährliche Zertifikate für erneuerbare Energien zu erwerben.

Wie Dinesh sagt: „BESS ist ein wichtiger Faktor für die Reduzierung von Scope 2, da es einer Anlage ermöglicht, die beschaffte erneuerbare Energie tatsächlich zu nutzen, indem es saubere Erzeugung speichert und sie dann abgibt, wenn das Stromnetz am stärksten belastet ist.“

BESS integriert mit den erneuerbaren Energiequellen Wind und Sonne

Spitzenlastmanagement und Energiekostenmanagement

Während Resilienz weiterhin ein Hauptfaktor ist, gewinnen wirtschaftliche Aspekte im Business Case für Energiespeicher zunehmend an Bedeutung. Viele Stromtarife für Industrie und Gewerbe beinhalten erhebliche Bedarfsspitzen, die sich nach dem höchsten kurzfristigen Stromverbrauch einer Anlage richten. Batteriespeichersysteme (BESS) können diese Kosten reduzieren, indem sie während der Spitzenlastzeiten Strom liefern und so den Gesamtbedarf der Anlage am Stromnetz senken.

Speicher können auch zur Energiearbitrage genutzt werden, indem sie bei niedrigen Strompreisen geladen und in Zeiten höherer Preise entladen werden. In Regionen mit volatilen Strommärkten können diese Möglichkeiten die Wirtschaftlichkeit des Betriebs erheblich verbessern und gleichzeitig die Belastung des Stromnetzes reduzieren.

Skalierung auf Multi-Megawatt-Anwendungen

Moderne Batteriesysteme sind modular aufgebaut und ermöglichen es Betreibern, die Kapazität schrittweise an den wachsenden Rechenbedarf anzupassen. Diese Skalierbarkeit passt gut zum stufenweisen Entwicklungsansatz, der üblicherweise beim Bau von Rechenzentren angewendet wird. Allerdings erfordert die Schaffung von Speichersystemen im Multi-Megawatt-Bereich mehr als nur das Hinzufügen weiterer Batterien.

Dinesh sagt: „Wenn die Systemsteuerung, die Erdung und der Schutz stimmen, wird die Skalierung weitgehend wiederholbar.“

Dieser modulare Ansatz schafft zudem Möglichkeiten für zukünftige Erweiterungen, ohne dass größere Umgestaltungen der zugrunde liegenden elektrischen Infrastruktur erforderlich sind.

Mehr als nur Batterien

Mit Blick auf die Zukunft erwarten viele Branchenbeobachter zunehmend ausgefeilte Hybridsysteme, die Speicherung, konventionelle Stromerzeugung, erneuerbare Energien und neue kohlenstoffarme Technologien wie wasserstoffbetriebene Motoren und Brennstoffzellen kombinieren.

In diesen Umgebungen bestimmen intelligente Steuerungssysteme anhand von Kosten, Verfügbarkeit, Emissionswerten und Zuverlässigkeitsanforderungen, welche Energiequelle zu einem bestimmten Zeitpunkt zum Einsatz kommen soll.

„Wir gehen davon aus, dass die Grenzen zwischen Erzeugung, Speicherung und Backup immer mehr verschwimmen werden, hin zu integrierten Mikronetzen, die sich in Echtzeit selbst optimieren“, erklärt Dinesh.

Für Hersteller wie Cummins, die Technologien für verschiedene Energiebereiche entwickeln, unterstreicht dieser Trend die Bedeutung integrierter Energielösungen anstelle von isolierten Produkten.

Wartung, Überwachung und Lebenszyklus

Wie bei jeder kritischen Infrastruktur ist die kontinuierliche Wartung weiterhin wichtig. Ein Großteil des heutigen Anlagenmanagements kann jedoch aus der Ferne über fortschrittliche Überwachungsplattformen erfolgen, die kontinuierlich den Zustand der Batterie, die thermische Leistung und Betriebsdaten analysieren.

Dieser vorausschauende Ansatz ermöglicht es den Betreibern, potenzielle Probleme zu erkennen, bevor sie die Verfügbarkeit beeinträchtigen, wodurch die Zuverlässigkeit verbessert und gleichzeitig die Wartungskosten gesenkt werden.

Mit Blick auf die Zukunft konzentriert sich die Branche zunehmend auf die Nachhaltigkeit über den gesamten Lebenszyklus.

Anwendungen für die Zweitverwendung von Batterien, Materialrückgewinnung und Recyclingprogramme gewinnen mit dem Wachstum des BESS-Marktes zunehmend an Bedeutung.

Bei der Bewertung der Gesamtbetriebskosten müssen diese Faktoren zusammen mit den Kapitalkosten, den betrieblichen Einsparungen und anderen Vorteilen berücksichtigt werden.

Für viele Anwendungen ist die effektivste Lösung nicht die Wahl zwischen Batterien und Generatoren, sondern eine sorgfältig abgestimmte Kombination beider Technologien.

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Dieser Artikel wurde von KHL Content Studio in Zusammenarbeit mit Experten von Cummins erstellt.

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Alle nicht gekennzeichneten Bilder mit freundlicher Genehmigung von Cummins.

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