Im IT-Bereich kommen zur Sicherstellung der Stromversorgung Systeme zum Einsatz, die je nach Technologie entweder gar keine oder nur eine sehr kurze Umschaltzeit in den Batteriebetrieb aufweisen. Daher ist von unterbrechungsfreier Stromversorgung (USV) die Rede, wobei die englische Abkürzung UPS (Uninterruptible Power Supply) teilweise ebenfalls gebräuchlich ist.

Diese Begrifflichkeit ist zunächst einmal von Notstromversorgungen (zum Beispiel durch Generatoren) zu unterscheiden, die auf sehr lange Überbrückungszeiten ausgelegt sind, jedoch auch deutlich längere Anlaufzeiten aufweisen. USV-Systeme dienen unter anderem dazu, diese Zeit zu überbrücken oder zumindest ein kontrolliertes Herunterfahren zu ermöglichen. Sie lassen sich in verschiedene Typen untergliedern, die sich nach Technologie, Bauart, Anwendungsszenarien sowie Zusatzfunktionen unterscheiden.

Ein erster und sinnvoller Ansatzpunkt für die Klassifizierung der USV-Anlagen ist die Norm IEC 62040-3. Die zweiteilige Klassifikation, die sie vornimmt, wirkt auf den ersten Blick zwar etwas komplex, doch durch die Aufteilung in Stufen und Klassen ist damit eine zweifelsfreie und direkt ersichtliche Beschreibung verschiedener USV-Typen möglich. Bis zum Erscheinen der Norm herrschte oft Verwirrung zwischen den verschiedenen, allerdings immer noch geläufigen Begriffen für USV-Anlagen. Die beiden Tabellen unten beschreiben die Einteilung gemäß der Norm genauer.

Nicht alle möglichen Klassifikationen kommen in der Praxis vor. Typisch sind 111 für VFI-USV, 311 für VI-USV und 333 für VFD-USV. Vollständig sieht die Klassifizierung einer USV dann beispielsweise so aus: VFI-SS-111 – diese entspräche der "Königsklasse". Diese ist allerdings nicht zwingend die beste Wahl für alle Anwendungen, da andere Technologien, abhängig von Anwendung und Netzqualität, Vorteile durch eine höhere Effizienz haben können und ein interessantes Preis-Leistungsverhältnis bieten.

Der Umstand, dass eine Klassifizierung von USV-Arten notwendig ist, impliziert bereits, dass es verschiedene Bauarten gibt. Doch zunächst haben alle einige Gemeinsamkeiten: In den gängigen Anlagen kommen zumeist Batterien als Speichermedium zum Einsatz. Die Batterieart kann dabei zwar durchaus variieren, sie werden aber alle mit Gleichstrom geladen. Daher gilt es, in einem ersten Schritt in einer USV die Wechselspannung aus dem Netz in Gleichspannung umzuwandeln. Am Ausgang wird dann wieder die Gleichspannung der Batterie in Wechselspannung transformiert. Dieses grundlegende Prinzip lässt sich auf verschiedene Art und Weise realisieren.

Die von der Norm für den Typ VFI geforderten Charakteristiken sind in der Praxis nur durch die Kombination von Gleich- und Wechselrichter im Dauerbetrieb zu erreichen. Bei dieser Form führt der Eingang direkt auf einen Gleichrichter, der typischerweise die Batterien des Systems lädt. Ein separater Wechselrichter stellt die Spannung am Ausgang bereit. Dieser versorgt sich im Normalbetrieb über einen Zwischenstromkreis am Gleichrichter und bei Stromausfall an der Batterie. Wie zuvor dargelegt, lassen sich mit dieser Bauform die höchsten Anforderungen abdecken. Doch es gibt dabei auch verschiedene Aspekte zu berücksichtigen. So sind die Richter in diesem System durchgehend belastet, was eine entsprechend robuste (und somit teure) Auslegung bedingt. Außerdem treten sowohl am Gleich- als auch am Wechselrichter Verluste auf, was den Wirkungsgrad der Anlagen beeinflusst. Hier ist zu beachten, dass diese Verlustleistung in Form von Wärme anfällt, und je nach Einsatzort zusätzliche Energie für die Kühlung notwendig sein kann.

Anders als beim vorhergehenden Typ findet beim Typ VI keine beständige Wandlung statt, was bedeutet, dass das Gerät am Ausgang keine "eigene" Frequenz erzeugt, sondern die durch das Netz bestimmte übernimmt. Die Höhe der ausgehenden Spannung kann allerdings auch dieser Aufbau regulieren und so zuverlässig vor Über- und Unterspannungen sowie Stromausfällen schützen. Im Normalmodus steuert ein Mikroprozessor das Gerät und überwacht die Qualität der Stromversorgung kontinuierlich und reagiert auf Änderungen. Eine Kompensationsschaltung verringert oder erhöht die Versorgungsspannung, wodurch sich Netzschwankungen ausgleichen lassen. Der Hauptvorteil dieses auch "line-interaktiven" genannten Aufbaus ist, dass der Ausgleich von Über- und Unterspannungen ohne Batterien erfolgt. Der Gleichrichter kommt im Regelbetrieb nur zum Laden der Batterie zum Einsatz und der Wechselrichter nur bei Batteriebetrieb, was den Wirkungsgrad verbessert und die Bauteile schont.

Der Typ VFD schließlich schleift im Regelbetrieb die Netzspannung durch das Gerät hindurch. Es findet leidglich eine Filterung statt, aber keine aktiven Anpassungen. Ein Schalter aktiviert die Batterie nur, wenn die Netzversorgung unterbrochen ist, in diesem Fall kann sie eine zuverlässige Versorgung bieten. Das Aufladen der Batterien geschieht, wie bei den anderen Typen auch, über einen Gleichrichter aus dem Netz. Diese USV-Art eignet sich, um PCs gegen Netzausfälle, Spannungseinbrüche und Spannungsspitzen abzusichern. Sie ist vergleichsweise preiswert und liefert dennoch ausreichend Schutz für alltägliche Anforderungen in Büros. Die passive Standby-Topologie ist nicht geeignet für Fälle, in denen die Stromversorgung von niedriger Qualität ist, beispielsweise in Industrieanlagen oder wenn sie häufigen Unterbrechungen unterliegt.

Nachdem Unternehmen ihre qualitativen Anforderungen eruiert und sich für einen USV-Typ entschieden haben, steht noch die Frage nach der Kapazität der Anlage im Raum – schließlich soll diese kein Nadelöhr für zukünftiges Wachstum sein. Wichtigste und sensibelste Komponente bei USV-Anlagen sind die Batterien. Sie bedingen letztendlich auch die Kapazität der Anlagen. Der gebräuchlichste Batterietyp zur Verwendung in USVs sind ventilregulierte Bleibatterien (VRLA), ebenso bekannt als wartungsfreie oder gekapselte Batterien. Sie lassen sich in großer Zahl nebeneinanderschalten, um so die Überbrückungszeit des Gesamtsystems zu steigern.

VRLA-Batterien sind üblicherweise in einem Polypropylen-Gehäuse untergebracht und nach außen abgedichtet. Der Vorteil dieser Bauart ist, dass keine Flüssigkeit überschwappen, auslaufen oder tropfen kann. Da sich bei diesen Batterien kein Wasser auffüllen lässt, ist für ihre Lebensdauer und Funktionsfähigkeit die Rückführung des verdampften Wassers wichtig. Wird die Verdampfungsrate durch zu starke Erwärmung zu groß oder tritt aus anderen Gründen ein Wasserverlust auf, reduziert sich die Lebensdauer der Batterie. Intelligente Ladeverfahren, die die Ladespannung temperaturkompensiert steuern oder durch temporäre Ruhephasen eine erhöhte Korrosion vermeiden, können hier helfen, die Gesamtlebenserwartung zu erhöhen. Dennoch, auch bei korrekter Anwendung bleiben Batterien ein Verschleißteil. Je nach Intensität der Nutzung sind sie in bestimmten Intervallen zu tauschen.

USV-Batterien gemäß der Eurobat-Stufe "Standard Commercial" haben eine Lebenserwartung von etwa drei bis fünf Jahren und sollten entsprechend nach drei bis vier Jahren getauscht werden. Zu beachten ist dabei ferner, dass sich die Lebensdauer bei Umgebungstemperaturen über 25 Grad Celsius reduziert.

Zu Beginn des IT-Zeitalters in den 1980er Jahren kamen die damaligen USV-Anlagen auf Wirkungsgrade von 75 bis 80 Prozent. Durch bessere Halbleitertechnologie ließ sich dieser Wert in den 90ern auf über 90 Prozent steigern. Die Wirkungsgrade sind auch abhängig vom Typ der Anlagen, naturgemäß fallen sie im "echten" Doppelwandler-Betrieb am schlechtesten aus. Mit modernen Doppelwandler-Anlagen und deren fortschrittlichen Energiesparmodi sind dagegen Wirkungsgrade von bis zu 99 Prozent realisierbar.

Dabei ist zu beachten, dass nur moderne Systeme solch hohe Wirkungsgrade über die gesamte Lastkurve hinweg halten können. Die im Doppelwandler-Betrieb angegebenen Wirkungsgrade gelten bei modernen Systemen bei etwa 50 Prozent Last und fallen sowohl in Richtung 0 Prozent als auch in Richtung 100 Prozent ab. Im Gegensatz zu älteren Systemen, die ihre höchste Effizienz nur unter Volllast erreicht haben, lassen sich so selbst bei normaler Auslastung, die oft im Bereich von 30 bis 50 Prozent liegt, relativ hohe Wirkungsgrade von bis zu 97 Prozent im Doppelwandler-Betrieb erzielen.

Der Stromverbrauch der eigenen Anlagen wird für Betreiber von Rechenzentren immer wichtiger. Zum einen, da die Preise für Elektrizität steigen. Zum anderen ist der Stromhunger der Data Center immer wieder Thema in den Medien und beeinflusst die öffentliche Meinung. Die Forderung für die Zukunft lässt sich also in etwa so zusammenfassen: mit möglichst wenig Ressourcenverbrauch die bestmögliche Infrastrukturgrundlage für die fortschreitende Digitalisierung schaffen.

Daraus ergibt sich eine Beziehung, die nicht direkt auf der Hand liegt – die zwischen der Energiewende und USV-Anlagen. Doch der Zusammenhang verdeutlicht sich bei einem Blick darauf, was durch die Energiewende im Stromnetz geschieht: Die Erzeugung von Energie wird dezentraler. Traditionelle Kraftwerke erreichen einen hohen Output pro Einheit, Anlagen zur Erzeugung regenerativer Energie (vor allem Wind und Sonne) sind dagegen vergleichsweise klein und es werden entsprechend viele benötigt, was zu vielen verteilten Einspeisestellen führt. Wind und Sonne liefern auch keinen konstanten Output wie beispielsweise die Kohleverstromung. Bei Solaranlagen kommt zudem noch ein weiterer Faktor hinzu: Die Photovoltaikmodule liefern Gleichspannung, die erst in Wechselspannung umzuwandeln ist, um sie hochtransformieren und ins Netz einspeisen zu können.

Dieser Prozess verfügt – anders als die direkte Wechselstromerzeugung mittels Generatoren –über keine systemimmanente Trägheit. Doch diese Systemträgheit, die auf der Masse der rotierenden Teile von Generatoren beruht, nimmt eine wichtige Ausgleichsfunktion für das Netz wahr, die bei Photovoltaik fehlt.

Insgesamt zeigt sich die Stromerzeugung durch erneuerbare Energien folglich volatiler und erfordert mehr Eingriffe, um die Netze stabil zu halten. Genau an diesem Punkt kommen die USV-Anlagen ins Spiel. Gerade für kurzfristige Frequenzregelung, wie sie etwa durch die Solarstromeinspeisung nötig wird, stellen ihre Batterien ein ideales Reservoir dar. Dafür ist allerdings die Möglichkeit des bidirektionalen Ladens nötig, sodass die Anlagen bei Bedarf kurzzeitig ins Netz zurückspeisen können. Betreiber, die sich für eine USV mit dieser Funktionalität entscheiden, können damit Regelenergie bereitstellen und somit zusätzliche Einnahmen generieren oder günstigere Tarife mit dem Stromversorger vereinbaren. Im Rahmen eines Pilotprojekts in den USA erproben Microsoft und Eaton beispielsweise ein USV-System, das automatisch auf die Anforderungen des Netzes reagieren kann und entweder Strom einspeist oder aufnimmt.

Die Ausstattung von USV-Systemen mit Netzwerkkarten, um sich so via Ethernet ins lokale Netzwerk integrieren zu lassen, ist seit vielen Jahren Standard. Es bietet den Betreibern eine Reihe von Vorteilen. So vereinfacht sich das Powermanagement, zudem lassen sich die einzelnen Anlagen innerhalb eines zentralen Interfaces darstellen und verwalten. Das verschafft Administratoren den optimalen Überblick. Auch Alarmmeldungen erhalten sie in Echtzeit. Bei einem vollständigen und anhaltenden Ausfall der Stromversorgung sorgen solche vernetzten Anlagen somit für die größtmögliche Schadensbegrenzung. Sie liefern alle relevanten Informationen, die nötig sind, um einen kontrollierten Shutdown zu planen und durchzuführen.

Durch geordnetes Herunterfahren oder Migration lässt sich Datenverlust sogar in voll virtualisierten Umgebungen verhindern oder zumindest auf ein Minimum reduzieren. Ein wichtiger Parameter hierbei ist der Ladezustand der Batterien, da davon abhängt, wie lange sich das System noch versorgen lässt. Um USV-Batterien, wie oben erwähnt, als Regelenergiereserve zu nutzen, sind ebenfalls vernetzte Systeme notwendig.

Wichtig bei einer solchen Implementierung ist es, den Faktor IT-Sicherheit von Anfang an miteinzubeziehen. Nur so kann eine USV im Netzwerk den optimalen Schutz bieten. Wie bei allen anderen Geräten gilt auch bei USV-Anlagen, dass Vernetzung ohne ausreichende Absicherung zur Gefahr werden kann. Oft stellen Peripheriegeräte sogar ein bevorzugtes Ziel für Hacker dar, da hier Sicherheitsmaßnahmen oft weniger ernstgenommen werden oder sogar gar keine Berücksichtigung finden. Dadurch kann eine vernetzte USV-Anlage als Angriffsvektor dienen.

Um das zu verhindern und ein Umfeld zu schaffen, das nicht nur vor Stromausfällen, sondern auch vor Cyberangriffen schützt, sollten Unternehmen nur Netzwerkkarten einsetzen, die starke Verschlüsselung unterstützen, über konfigurierbare Passwortrichtlinien verfügen und verschiedene signierte, digitale Sicherheitszertifikate verwenden. Orientierung bieten hier beispielsweise die strengen Sicherheitsstandards UL 2900-2-2 und IEC 62443-4-2.

Welche USV die richtige ist, hängt natürlich immer von den individuellen Ansprüchen ab. Das fängt dabei an, dass verschiedene Branchen unterschiedliche Anforderungen an ihre IT stellen. Grundsätzlich lässt sich allerdings sagen, je teurer die zu sichernden Geräte und je kritischer die Anwendung, desto höher sollten IT-Verantwortliche die USV-Klasse wählen. Doch auch für sensible Bereiche muss es nicht zwangsläufig die Online-USV sein, da je nach benötigter Leistung moderne line-interaktive Geräte einen äußerst hochwertigen Schutz mit einem guten Preis-Leistungs-Verhältnis erlauben.

Unternehmen sollten die eigenen Anforderungen genau prüfen und dann je nach Bedarf auf skalierbare, modular erweiterbare sowie energieeffiziente Anlagen setzen. Dabei sollten nicht nur die Anschaffungskosten, sondern natürlich auch die laufenden Energiekosten über die Lebensdauer der Anlage Berücksichtigung finden. Das Einsparpotenzial kann hier ein Vielfaches der Anschaffungskosten ausmachen. Des Weiteren sollte unabhängig von der reinen Hardware immer ein lokal aufgestellter Support als wichtiges Merkmal mit in die Entscheidung einfließen.