Betreiber von Rechenzentren haben dafür zu sorgen, die Energiezufuhr ständig und unter allen Umständen aufrechtzuerhalten. Notfallpläne und Systeme für unterbrechungsfreie Stromversorgung sind hier die Stichwörter. Unser Artikel geht darauf ein, was Sie bei der Wahl der richtigen USV und beim Vorhalten eines Dieselgenerators beachten sollten. Außerdem zeigen wir, warum schon eine hohe Energieeffizienz im Notfall helfen kann.
Einer der größten Stromausfälle liegt bald 60 Jahre zurück: Der Blackout im November 1965 betraf den Nordosten Amerikas und Teile Kanadas – 30 Millionen Menschen auf rund 207.000 Quadratkilometern waren bis zu zwölf Stunden ohne Versorgung. Heutzutage hängt noch deutlich mehr am Strom und besonders anfällig zeigt sich die Wirtschaft: Aufträge bleiben liegen, Kundenerwartungen etwa im Bereich E-Commerce unbedient. Gerade der Ausfall von Technik zieht schwerwiegende Folgen nach sich. Und an dieser Stelle kommen Rechenzentren ins Spiel.
Dreh- und Angelpunkt Rechenzentrum
In Rechenzentren laufen immense Datenmengen aus dem digitalen Bereich zusammen, hier liegen kritische Dokumente, Websites und Smart-Industry-Vorgänge. Entsprechend bedeutet ein Blackout, dass der gesamte Produktionsbetrieb auf der Strecke bleibt. Betreiber von Rechenzentren haben deswegen die Aufgabe, den Stromfluss zu gewährleisten und unterbrechungsfrei aufrechtzuerhalten – insbesondere aufgrund des stetig ansteigenden Umfangs an Daten.
Ohne Stromzufuhr stürzen Server unmittelbar ab, was die Wichtigkeit von passenden Sicherungsmaßnahmen weiter erhöht. Es gilt, entsprechende Vorkehrungen zu treffen, um Folgen eines Worst-Case-Szenarios möglichst gering zu halten oder einen solchen Fall sogar komplett auszuschließen. Tatsächlich gibt es momentan jedoch keine gesetzlichen Regelungen dazu, wie eine Notfallversorgung in Rechenzentren auszusehen hat. Allerdings empfiehlt die Bundesnetzagentur einen resilienten und nachhaltigen Ausbau der digitalen Infrastruktur.
Einer der größten Stromausfälle liegt bald 60 Jahre zurück: Der Blackout im November 1965 betraf den Nordosten Amerikas und Teile Kanadas – 30 Millionen Menschen auf rund 207.000 Quadratkilometern waren bis zu zwölf Stunden ohne Versorgung. Heutzutage hängt noch deutlich mehr am Strom und besonders anfällig zeigt sich die Wirtschaft: Aufträge bleiben liegen, Kundenerwartungen etwa im Bereich E-Commerce unbedient. Gerade der Ausfall von Technik zieht schwerwiegende Folgen nach sich. Und an dieser Stelle kommen Rechenzentren ins Spiel.
Dreh- und Angelpunkt Rechenzentrum
In Rechenzentren laufen immense Datenmengen aus dem digitalen Bereich zusammen, hier liegen kritische Dokumente, Websites und Smart-Industry-Vorgänge. Entsprechend bedeutet ein Blackout, dass der gesamte Produktionsbetrieb auf der Strecke bleibt. Betreiber von Rechenzentren haben deswegen die Aufgabe, den Stromfluss zu gewährleisten und unterbrechungsfrei aufrechtzuerhalten – insbesondere aufgrund des stetig ansteigenden Umfangs an Daten.
Ohne Stromzufuhr stürzen Server unmittelbar ab, was die Wichtigkeit von passenden Sicherungsmaßnahmen weiter erhöht. Es gilt, entsprechende Vorkehrungen zu treffen, um Folgen eines Worst-Case-Szenarios möglichst gering zu halten oder einen solchen Fall sogar komplett auszuschließen. Tatsächlich gibt es momentan jedoch keine gesetzlichen Regelungen dazu, wie eine Notfallversorgung in Rechenzentren auszusehen hat. Allerdings empfiehlt die Bundesnetzagentur einen resilienten und nachhaltigen Ausbau der digitalen Infrastruktur.
Verbrauch drosseln
Um Datenströme nicht zu unterbrechen und im Zweifel selbst während eines andauernden Blackouts fließen zu lassen, bedarf es unterschiedlicher Maßnahmen. Zunächst einmal ist es hilfreich, den allgemeinen Energiehunger herunterzufahren – auch abseits eines Szenarios begrenzter Energieversorgung. Im Zusammenhang mit Rechenzentren gibt es den Indikator "Power Usage Effectiveness" (PUE): Dieser gibt das Verhältnis zwischen der Strommenge für den Betrieb der gewarteten IT-Infrastruktur und dem gesamten Strombedarf des Datacenters an.
Im Schnitt lag der durchschnittliche Wert im Jahr 2021 weltweit bei 1,57 PUE. Das bedeutet, dass Rechenzentren 57 Prozent mehr Energie für die Aufrechterhaltung der Infrastruktur der Einrichtungen verbrauchten als für die von ihnen gewarteten IT-Geräte erforderlich. Praktisch unerreicht bleibt der ideale PUE-Wert von 1,0 – der Energiekonsum entspräche dann genau dem Bedarf der im RZ betriebenen Geräte. Ein kommerzielles Rechenzentrum erreicht heute Werte zwischen 1,5 und 1,6, wohingegen in Unternehmen zum Einsatz kommende Serverräume nicht selten mit Zahlen von 2,5 bis 3,0 zu Buche schlagen.
USV, Generator und Notfallplan
Aus diesen Angaben liest sich vor allem Ineffizienz heraus. Verglichen mit dem eigentlichen Bedarf der IT fällt der Verbrauch deutlich zu hoch aus, was nicht nur zu unnötigen Kosten führt. Denn bei einem Stromausfall lassen sich die Serverräume nur über kurze Zeiträume mit Notstrom nutzen, weil der Mehrverbrauch zu einer verringerten Autonomiezeit bei Ausfall führt. Die Aufrechterhaltung der Abläufe ist also gefährdet. Deshalb rät die Bundesnetzagentur Betreibern von Rechenzentren, Vorbereitungen zu treffen für einen übergangsweisen Ausfall der Energieversorgung – umso mehr, wenn es um sensible Kundendaten oder kritische Prozesse geht.
Das gelingt durch Notstromaggregate oder Notfallpläne. Von der Agentur empfohlene Pläne beinhalten einen autarken Betrieb über 48 Stunden, viele Betreiber dehnen dies allerdings auf bis zu 72 oder 100 Stunden aus. Ein System zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) im Rechenzentrum greift, wenn es zu einem Stromausfall kommt oder zu Schwankungen der Spannung. Akkugestützt kann die USV so für einen gewissen Zeitraum einspringen – ein wichtiger Baustein für mehr Ausfallsicherheit und ein Kriterium, das die USV für den Business-Continuity- oder Notfallplan unabdingbar macht. Darüber hinaus hat sich zum Schutz der Daten die Speicherung an einem Drittstandort als sinnvolle Lösung erwiesen.
Kommt es zu einem Störfall, bedarf es je nach Szenario einer individuellen Reaktion. Unternehmen sollten verschiedene Situationen im Notfallplan definieren und in diesem Zug festlegen, wie jeweils zu reagieren ist. Auch wenn im Ernstfall zunächst die USV die Versorgung sicherstellt, kann es vorkommen, dass zwischen mehreren Ausfällen nur kurze Zeiträume liegen – und dann fehlt möglicherweise die Zeit, die Batterien wieder aufzuladen. In dem Fall eignet sich eine Netzersatzanlage (NEA) wie ein Dieselgenerator. Es kommt hierbei nicht zuletzt darauf an, genau zu definieren, ab welchem Zeitpunkt der Generator eingreifen und mit Strom versorgen soll. Wartung spielt eine ebenso wichtige Rolle wie der Blick auf die Ladung der für den Generator verantwortlichen Batterie – dazu gehört die Verwaltung der vorliegenden Ersatzteile.
Die Absicherung des Rechenzentrums erfolgt mittels der Komponenten USV, NEA und redundante Stromzufuhr.
Redundanz und Überwachung
Um für den Ernstfall gerüstet zu sein, bedarf es einer akkuraten Vorbereitung. Zunächst gilt es zu definieren, welche Bereiche beziehungsweise Systeme essenziell sind – Stichwort Business Continuity. Zum Beispiel fällt ein Backupsystem nicht in diesen Sektor. Hingegen laufen heute viele entscheidende Bereiche über die IT, etwa die Telefonie.
Auch in welcher Branche ein Unternehmen tätig ist, hat Auswirkungen: Für Firmen aus dem Bereich E-Commerce etwa hängt ihr Geschäft davon ab, dass Kunden auf ihr Angebot zugreifen können. Fallen Server aufgrund eines Stromausfalls aus, ist ihr Shop nicht mehr erreichbar. Neben Vorkehrungen wie einer USV kann es hier deshalb sinnvoll sein, auf Redundanz durch Colocation zu setzen. Dann steht bei einem Stromausfall die passende Infrastruktur bereit, um sowohl die Hardware sicher mit Strom zu versorgen als auch die Daten und Anwendungen verfügbar zu halten.
Von hoher Bedeutung ist weiterhin der Einsatz einer redundanten Stromversorgung, also der Betrieb eines Netzwerkgeräts mit zwei oder mehr Netzteilen, den es so in der Regel nur in Datacentern gibt. Batteriegepufferte und dieselgestützte USV-Anlagen profitieren von vorgewärmten Dieselgeneratoren, damit sie in der Notlage schnell leistungsbereit und einsatzfähig sind. Zur Bewältigung längerer Ausfallzeiten sollten Unternehmen Lieferverträge abschließen, damit sie stets einen vollen Dieseltank für die Netzersatzanlage haben. Ebenso wenig zu vernachlässigen ist die regelmäßige Prüfung der Haltbarkeit des Treibstoffs.
Wichtig außerdem: eine Heartbeat-Überwachung und ein n+1-Redundanzmodell, also das Hinzufügen einer weiteren Komponente. In diesem Fall gibt n die erforderliche Kapazität, um das Rechenzentrum mit Strom zu versorgen. Das können zum Beispiel eine USV, eine Batterie und ein Dieselgenerator sein. Wenn n also wie hier 3 ist, ergibt n+1 4 – die redundante Stromzufuhr kommt hinzu. Es ist also eine Anlage mehr vorhanden, als zur Versorgung der Last erforderlich wäre.
Achillesferse Kommunikation
Bei aller Notfallplanung sind Betreibern bei einer Störung oder einem Ausfall von Telekommunikationsnetzen die Hände gebunden. Denn dann fehlt die Erreichbarkeit der Datacenter. Zu den wichtigsten Voraussetzungen für einen anhaltenden Betrieb gehört deswegen die Aufrechterhaltung der Kommunikationsinfrastruktur. In der Regel schränkt aber ein Ausfall der Stromversorgung die Funktion der Telekommunikationsnetze umgehend ein. Dienste lassen sich in diesem Fall nur noch in abgespeckter Version oder gar nicht mehr nutzen. Warnmeldungen über Cell Broadcast kommen nur dann an, wenn das Netz in Betrieb ist. Notstromaggregate für diesen Ernstfall gibt es noch nicht in ausreichender Anzahl, weswegen die Netze bei größeren Blackouts schnell den Dienst quittieren. Aufgrund dieses Umstands fordert die Bundesnetzagentur die Einführung bundesweiter, einheitlicher Regelungen zur Notstromversorgung von Telekommunikationsnetzen.
Drei Typen von USV
Ob Stromausfall, Unter- oder Überspannung, Oberschwingungen, Rauscheinflüsse oder Frequenzschwankungen – je nach Typ schützt die USV vor diesen Dingen. Gemäß EN62040-3 lassen sich USV-Geräte in drei Klassen beziehungsweise Technologien differenzieren. Bei VFD (Voltage Frequency Dependent from Mains Supply) handelt es sich um eine sogenannte Standby- oder Offline-USV. Sie schützt einzig gegen einen totalen Netzausfall. Netzspannungen, Schwankungen oder Netzfrequenzen gleicht sie nicht aus. Bei einem Ausfall übernimmt ein Akku. Gleiches gilt bei Über- oder Unterspannung. Während des Normalbetriebs lädt die Batterie. Der Wirkungsgrad liegt bei etwa 95 Prozent, zum Einsatzgebiet gehören Kleinstverbraucher oder einzelne Computer.
Der zweite Typ, VI (Voltage Independent from Mains Supply), hat einen Wirkungsgrad von 95 bis 98 Prozent und kommt bei einzelnen Computersystemen, Netzwerken oder größeren TK-Anlagen zum Einsatz. VI oder auch Line-Interactive-/ Netz- interaktive-USV schützt gegen einen totalen Netzausfall und Schwankungen der Netzspannungen – durch einen zwischen Netzeingang und Verbraucher geschalteten Spannungsregler. Für hochsensible Systeme kommt diese Art nicht infrage. In der Server- und Datenkommunikation setzen Verantwortliche dagegen oft auf den dritten Typ, VFI (Voltage and Frequency Independent from Mains Supply).
VFI-USV heißen auch Online-USV und bieten maximalen Schutz. Sie gleichen Schwankungen der Netzspannung und der -frequenz aus. Im Vergleich zu den anderen Typen treten keine Schaltzeiten auf, da diese USV bei einem Netzausfall nicht in eine andere Betriebsart umgeschaltet werden muss. Sie arbeitet in einem Dauerwandler-Prinzip zwischen Wechsel- in Gleichspannung und Gleich- in Wechselspannung. VFI liefert unabhängig von Frequenz und Spannung am Eingang konstante Werte am Ausgang. Dies gelingt mit einem Gleichrichter, der die Wechselspannung am Eingang in eine Gleichspannung an seinem Ausgang umwandelt. Mit dieser Gleichspannung wird der Akku geladen und der zweite Wechselrichter in der VFI-USV versorgt. Bei Stromausfall bezieht der Wechselrichter Energie aus den Akkus und wandelt diese in Wechselspannung um. Störgrößen wirken sich so nicht auf die versorgte Last aus: Sie wird mit einer sinusförmigen Ausgangsspannung der VFI-USV versorgt, es gibt keine Unterbrechung der Spannung.
Batterien als Puffer
Netzersatzanlagen greifen insbesondere bei längeren Stromausfällen. Denn in diesem Fall bedarf es einer autarken Stromerzeugungsmöglichkeit. Da es allerdings zehn bis zwölf Sekunden dauert, bis automatisch startende NEA den Betrieb aufnehmen, müssen gerade Rechenzentren auch diese Zeit überbrücken – etwa mit Batterien als Puffer. Bei den verschiedenen Arten der Anlagen gibt es Unterschiede in Bezug auf den zugrunde liegenden Energieträger.
Genannte Dieselgeneratoren zählen zu den konventionellen Netzersatzanlagen. In der Regel schaltet sich die NEA bei Netzausfall über die Überwachungselektronik automatisch ein. Zugehörige Kühlsysteme führen entstehende Wärme ab, um Überhitzung zu vermeiden. Es empfiehlt sich daher, dass am Aufstellort genügend Frischluft zur Verfügung steht. Regelmäßige Lastprobebetriebe gehören zudem dazu, um im Ernstfall eine Absicherung zu gewährleisten.
Fazit
Grundsätzlich zählt der Stromausfall zu den natürlichen Feinden des Rechenzentrums. Nicht immer haben Betreiber das Heft des Handelns in der Hand, denn verschiedene Umstände können dafür sorgen, dass selbst detaillierte Sicherheitsmaßnahmen nicht greifen. Als elementar erweist sich deswegen die redundante Stromzufuhr. Greifen Unternehmen auf diese und einen fachkundigen RZ-Betreiber zurück, haben sie mehr Sicherheit und können sich auf ihre Kernkompetenzen konzentrieren.
(ln)
Jerome Evans ist Geschäftsführer der firstcolo GmbH.