Planung von Erweiterungen für Grid-fähige Rechenzentren mithilfe von Echtzeitsimulationen

Wichtigste Erkenntnisse

• Die Netzkapazität, die Fehlerstromfestigkeit und die Betriebsgrenzen sollten den Umfang der Erweiterung vorgeben, bevor die Flächennutzung, die Anzahl der Hallen oder die Mieterziele festgelegt werden.
• Die Simulation von Rechenzentren ist am nützlichsten, wenn die Lastprofilverteilung, die Kühlleistung und der schrittweise Ausbau als ein System und nicht als separate Schätzungen geprüft werden.
• Die Gespräche mit den Versorgungsunternehmen verlaufen positiver, wenn Sie modellierte Szenarien, Phasenbegrenzungen und Maßnahmen zur Lastminderung vorlegen, anstatt lediglich eine einzige Spitzenlastanforderung zu stellen.

Der Ausbau eines netzfähigen Rechenzentrums beginnt mit einem Modell des Stromversorgungssystems, noch bevor ein Grundriss erstellt wird.

Diese Reihenfolge ist entscheidend, da Energieversorger die Dimensionierung von Netzanschlüssen anhand der Lastkurve, der Fehlerlasten, der Schutzeinstellungen und der verbleibenden Reserven in benachbarten Zuleitungen und Umspannwerken vornehmen. Rechenzentren verbrauchten im Jahr 2022 etwa 460 TWh Strom. Diese Größenordnung erklärt, warum ein neuer Campus eher wie eine Netzanlage denn wie ein gewöhnliches geschäftliche behandelt wird. Das Netzrisiko beginnt schon lange vor der Inbetriebnahme.

Wenn Sie eine Erweiterung Ihres Rechenzentrums ohne Netzrisiken planen, benötigen Sie software für Rechenzentren software das elektrische Verhalten, die Kühllast und die Optionen zur schrittweisen Erweiterung in einem einzigen testbaren Modell vereint. Ein Rechenzentrumssimulator zeigt Ihnen, wann eine 40-MW-Phase funktioniert, wann eine 60-MW-Phase versagt und was geändert werden muss, bevor eine der beiden Phasen angeschlossen werden kann. Dieser Ansatz liefert Ihnen mehr als nur eine hoffnungsvolle Spitzenlastzahl. Er verschafft Ihnen eine fundierte Position für den Netzanschluss.

„Die Netzkapazität gibt den Rahmen für den Standort vor.

Die Netzgrenzen sollten den Ausbauraum vor der Standortplanung festlegen

Bei der Planung einer Erweiterung sollte man bei den Netzgrenzen ansetzen, da das Netz die maximale Last, die Ausfallbelastbarkeit, das Rampenverhalten und das Redundanzschema vorgibt, die der Standort unterstützen kann. Eine Standortplanung, die von der Grundstücksgröße oder der IT-Kapazität ausgeht, lässt die Einschränkung außer Acht, die tatsächlich darüber entscheidet, wie viel Leistung hinzugefügt werden kann.

Ein geplanter 90-MW-Campus neben einem 115-kV-Umspannwerk mag auf dem Papier machbar erscheinen, da das Grundstück groß ist und die Glasfaseranbindung hervorragend ist. Die Studie des Energieversorgers kann die erste Phase dennoch auf 32 MW begrenzen, wenn die Transformatorauslastung, die Überlastung der Zuleitungen oder die Nennleistungen der Leistungsschalter bereits nahe an ihren Grenzen liegen. Diese Grenzen müssen bekannt sein, bevor Sie die Größe der Hallen, die Notstromversorgungssysteme und die Mietverträge festlegen. Die Netzkapazität gibt den Rahmen für den Standort vor.

Deshalb sollte das erste Modell den Netzanschlusspunkt, die Netzstabilität im vorgelagerten Netz sowie die Auswirkungen von N-1-Ausfällen prüfen. Eine gute Rechenzentrumssimulation vergleicht den Normalbetrieb mit dem Ausfall einer Zuleitung, dem Ausfall eines Transformators und einem raschen Lastanstieg durch eine neue Rechenhalle. Wenn der Standort unter diesen Bedingungen versagt, ist Ihr Expansionsziel falsch, auch wenn das Grundstücks- und Investitionsbudget zunächst in Ordnung erscheint. Eine frühzeitige Korrektur ist kostengünstig, während eine späte Korrektur das gesamte Programm neu ausrichten muss.

Die Simulation des Rechenzentrums zeigt das tatsächliche Lastprofil

Bei der Simulation von Rechenzentren sollte die Lastkurve geschätzt werden, die tatsächlich im Netz auftritt, und nicht ein pauschaler Wert, der aus den Angaben auf dem Typenschild übernommen wird. Die Energieversorger legen Wert auf stündliche Schwankungen, Anstiegsraten, die Übereinstimmung mit lokalen Spitzenlasten und das Verhalten von Notstromsystemen, da diese Funktionen das Risiko der Netzanbindung und die Betriebsgrenzen Funktionen .

Eine 20-MW-Halle voller Grafikprozessoren verhält sich anders als eine 20-MW-Halle voller Speicherserver. Bei der einen kann die Leistung innerhalb weniger Minuten um mehrere Megawatt ansteigen, wenn Trainingsaufträge starten, während die andere über den Tag hinweg weitaus gleichmäßiger bleibt. software für Rechenzentren muss diesen Unterschied anhand von gemessenen Annahmen zur Arbeitslast, USV-Verlusten, Pumpenleistung und Kühlreaktion widerspiegeln. Ein einziger gemischter Durchschnittswert verschleiert das Belastungsereignis, das der Energieversorger als Erstes untersuchen wird.

Hier kommt ein Rechenzentrums-Simulator ins Spiel. Damit lassen sich Spitzenlasten an Wochentagen, Aufladephasen bei der Datensicherung und der Lastanstieg nach Wartungsarbeiten testen, ohne die Live-Umgebung zu beeinträchtigen. Teams, die diesen Schritt überspringen, präsentieren in der Regel eine saubere Spitzenlastzahl und verbringen dann Monate damit, zu erklären, warum das gemessene Verhalten schlechter ausfällt. Netzplaner haben nichts gegen Wachstum einzuwenden, aber sie wehren sich gegen Überraschungen.

Die Kurzschlussfestigkeit bestimmt, wie hoch die Last sein darf

Die Kurzschlussfestigkeit gibt Aufschluss darüber, wie stabil das lokale Netz ist und wie viel neue Last es aufnehmen kann, ohne dass es zu Spannungsabfällen oder Problemen mit den Schutzvorrichtungen kommt. Ein Standort mit schwacher Kurzschlussfestigkeit kann seine praktische Grenze erreichen, lange bevor die im Einliniendiagramm angegebene Transformatorleistung erreicht ist.

Betrachten wir eine 40-MW-Erweiterung, die an einen Sammelschienenanschluss mit geringem Kurzschlussbeitrag aus dem vorgelagerten Netz angeschlossen ist. Motorstarts, das Verhalten von USV-Gleichrichtern und Oberschwingungsregelungen können die Spannung so weit absinken lassen, dass empfindliche Geräte bei einer Störung in der Nähe ausfallen. Dieselbe 40-MW-Erweiterung an einem stärkeren Sammelschienenanschluss kann mit einfacheren Schutzmaßnahmen normal betrieben werden. Aus diesem Grund müssen bei der Untersuchung der Netzauswirkungen Fehleranalysen, Spannungsabfallfälle und die Schutzkoordination berücksichtigt werden.

Sie müssen außerdem prüfen, wie sich die dezentrale Stromerzeugung auf dieses schwache Netz auswirkt. Stromerzeuger, die bei Stromausfällen nützlich erscheinen, können bei normalen Schaltvorgängen zu Komplikationen hinsichtlich Fehlerstrom, Synchronisation und Umschaltzeit führen. Wenn Sie darauf warten, dass der Energieversorger diese Probleme in seinem Bericht anspricht, ist Ihre mechanische und elektrische Planung bereits festgefahren. Die Kurzschlussfestigkeit ist ein wichtiger Faktor bei der Dimensionierung und darf nicht erst in einer späten Phase überprüft werden.

Echtzeitmodelle decken Risiken durch Verflechtungen früher auf

Echtzeitmodelle decken Netzverbundrisiken früher auf, da sie es ermöglichen, das Netz, die Anlage und die Steuerungen als ein einziges aktives System zu testen. Dies ist von Bedeutung, wenn Lastverläufe, Lastumschaltverfahren und Schutzlogik zu schnell aufeinanderwirken, als dass eine Offline-Studie diese mit ausreichender Zuverlässigkeit erfassen könnte.

Ein simulierter Test ermöglicht es, ein Umspannwerksmodell, USV-Steuerungen, Generatorsteuerungen und die Umschaltlogik in einem geschlossenen Regelkreis zu vernetzen, noch bevor die Bauunterlagen endgültig feststehen. Teams, die OPAL-RT nutzen, können diese Szenarien mit dem tatsächlichen Steuerungscode durchspielen und so beobachten, wie sich die Anlage bei einem Ausfall einer Zuleitung, einer Fehlauslösung eines Leistungsschalters oder einer sprunghaften Änderung der Kühllast verhält. Diese Datenqualität unterscheidet sich erheblich von einer statischen Tabellenkalkulation. Sie zeigt Zeitabläufe, Instabilitäten und Fehlauslösungen auf.

Es geht nicht nur um Geschwindigkeit. Sie erhalten eine gemeinsame Referenz für Ingenieur:innen, Steuerungsteams und Netzplaner, sodass alle vom gleichen transienten Verhalten ausgehen. Ein Spannungsabfall von 150 Millisekunden mag in einem Bericht unbedeutend erscheinen, kann jedoch eine Kaskade von Rücksetzungen auslösen, wenn die Ride-Through-Einstellungen falsch sind. Die Echtzeitsimulation deckt diese Schwachstellen auf, solange Sie noch Spielraum haben, um Einstellungen, Topologie oder Phasengröße anzupassen.

CFD-Simulation zur genauen Berechnung der Kühlleistung von Rechenzentren

CFD-Simulationen sind für die Planung von Rechenzentren von entscheidender Bedeutung, da die Kühllast einen großen Teil der elektrischen Last ausmacht, die das Stromnetz bewältigen muss. Die Planung der elektrischen Kapazität scheitert, wenn Luftströme, Flüssigkeitskühlkreisläufe und Wärmeabfuhr nur grob geschätzt werden, anstatt sie anhand der tatsächlich zu installierenden Rack-Dichten zu modellieren.

Kühlung und Luftzirkulation können etwa 40 % des Energieverbrauchs eines Rechenzentrums ausmachen. Eine 12-MW-IT-Halle mit Wärmetauschern an der Rückwand, Kondensatorwasserpumpen und Trockenkühlern kann die Gesamtlast des Standorts weit über den in frühen Business Cases angenommenen Stromverbrauch der Server hinaus treiben. Eine CFD-Simulation des Rechenzentrums liefert Ihnen die Einlasstemperaturen der Racks, Umwälzmuster sowie das Ansprechverhalten von Pumpen oder Lüftern bei Teil- und Vollauslastung. Diese Ergebnisse fließen in das Netzmodell ein, da thermische Auslegungsänderungen das elektrische Verhalten beeinflussen.

Das Gleiche gilt, wenn man luftgekühlte Hallen mit einer direkten Flüssigkeitskühlung auf Chip-Ebene vergleicht. Die eine Option kann zwar den Lüfterleistungsbedarf senken, erhöht jedoch die Pumpenlast und die Komplexität der Wasserversorgungsanlage. Die andere Option kann die Flexibilität bei der Raumaufteilung erhöhen, führt aber an heißen Nachmittagen zu einem höheren Wärmeabgabebedarf im Worst-Case-Szenario. Eine gute CFD-Simulation für Rechenzentren zeigt, wie sich diese Kompromisse auswirken, bevor Sie dem Energieversorger eine Anlagengröße zusagen.

Die schrittweise Erweiterung funktioniert am besten, wenn die Kapazität der Simulation folgt

Die schrittweise Erweiterung funktioniert nur, wenn jede Phase mit der nachgewiesenen Netzkapazität, den thermischen Grenzwerten und den Steuerungseinstellungen in der jeweiligen Phase des Campus übereinstimmt. Phasen, die auf ein Endziel ausgerichtet sind, das das Netz nicht bewältigen kann, erfordern eine Neugestaltung, führen zu ungenutzten Flächen oder erfordern vorübergehende Betriebsvorschriften, die den Betrieb des Standorts erschweren.

Stellen Sie sich einen Campus vor, der für 80 MW in vier Blöcken geplant ist. Die ersten 20 MW können an bestehende Versorgungsnetze angeschlossen werden, für die zweiten ist ein neuer Transformator erforderlich, für die dritten muss der Schutz umgerüstet werden, und der vierte Block funktioniert erst nach einer Verstärkung der Übertragungsnetze. Wenn Sie jeden Schritt modellieren, können Sie die Beschaffung und die Inbetriebnahme an die technischen Gegebenheiten anpassen. Wenn Sie diese Abfolge überspringen, wird in Phase eins für ein Netz der vierten Phase überdimensioniert, das noch gar nicht existiert.

Diese Tabelle ist kein bloßer Papierkram. Sie werden fundiertere Investitionsentscheidungen treffen, wenn jede Phase nach einem „Bestanden“- oder „Nicht bestanden“-Modell bewertet wird, anstatt sich auf ein hoffnungsvolles Datum in einer Roadmap zu verlassen. Außerdem sorgt dies dafür, dass Design, Betrieb und Versorgungsplanung auf denselben Annahmen basieren. Die Phasenplanung dient dann der Sicherung der Versorgungssicherheit, anstatt ungelöste Risiken bei der Netzanbindung zu verschleiern.

Die Nennleistungsangaben verschleiern die schlimmsten Auswirkungen auf das Stromnetz

Die Angaben auf dem Typenschild verschleiern die Auswirkungen auf das Stromnetz, da sie Faktoren wie Zufallseffekte, Diversitätsverlust, Kühlungsreaktionen und außergewöhnliche Betriebszustände außer Acht lassen. Die Energieversorger prüfen den Standort unter Bedingungen, die in Verkaufspräsentationen selten vorkommen. Daher wird ein Plan, der auf der Anzahl der Schränke oder der durchschnittlichen Leistung pro Rack basiert, den tatsächlichen Aufwand des Anschlussantrags unterschätzen.

Ein 20-MW-Vorschlag kann bescheiden wirken, wenn jede Halle mit Teilauslastung dargestellt und die Kühlung als fester Anteil behandelt wird. Probleme treten auf, wenn derselbe Campus eine hohe Rack-Dichte erreicht, nach Wartungsarbeiten wieder in Betrieb geht oder nach einem kurzen Stromausfall die Batteriebänke wieder auflädt. In diesen Momenten entsteht oft die größte Last, die das Netz zu bewältigen hat. Die üblichen blinden Flecken lassen sich leicht benennen, sobald man sie modelliert:

• Servercluster können innerhalb weniger Minuten nach einer Änderung der Arbeitslastverteilung von Leerlauf auf nahezu volle Auslastung hochfahren.
• Kühlanlagen erhöhen die Leistung von Pumpen und Ventilatoren genau dann, wenn die IT-Wärmelast ihren Höchststand erreicht.
• Nach kurzen Störungen können die Ladezeiten der Batterien zu einer zusätzlichen Belastung von mehreren Megawatt führen, die zur normalen Hallenlast hinzukommt.
• Generatorumschaltverfahren können kurze Spannungsschwankungen und ungünstige Zeitpunkte bei der Wiederherstellung verursachen.
• Redundanzvoraussetzungen können scheitern, wenn durch den Ausfall einer Zuleitung oder eines Transformators die Diversität aufgehoben wird.

Jeder Punkt verwandelt eine ordentliche Planungszahl in einen konkreten Anwendungsfall. Um diese zu untersuchen, braucht man keine perfekten Prognosen. Man benötigt realistische Bandbreiten, plausible Worst-Case-Szenarien und ein Modell, das die IT-Last mit den mechanischen und elektrischen Reaktionen verknüpft. Das ist der Unterschied zwischen einer sicheren Planungsreserve und einem unerwarteten Problem bei der Inbetriebnahme.

„Je fundierter deine Argumente sind, desto besser sind deine Expansionsmöglichkeiten.“

Die Ergebnisse des Rechenzentrums-Simulators sollten als Grundlage für Gespräche mit den Energieversorgern dienen

Die Ergebnisse des Rechenzentrums-Simulators sollten als Grundlage für Gespräche mit den Energieversorgern dienen, da sie allgemeine Lastanforderungen durch geprüfte Betriebsszenarien, Phasenbegrenzungen und Maßnahmen zur Lastreduzierung ersetzen. Energieversorger reagieren positiver, wenn man ihnen aufzeigt, wie sich der Standort in Notfällen verhält, und nicht nur, wie viel Strom der fertige Campus voraussichtlich beziehen wird.

Ein Treffen mit dem Energieversorger nimmt eine ganz andere Wendung, wenn man mit simulierten Zuleitungslasten, Spannungsabfallkurven, Schalterauslastungen und phasenspezifischen Lastverläufen vorstellig wird. Ein Team, das an einem einzigen Anschlusspunkt 50 MW beantragt, wird eine bestimmte Reihe von Fragen gestellt bekommen. Ein Team, das nachweist, dass 20 MW bereits jetzt möglich sind, weitere 15 MW nach Änderungen an den Schutzvorrichtungen möglich sind und der letzte Block erst nach Arbeiten auf der vorgelagerten Seite realisiert werden kann, wird eine weitaus nützlichere Reihe von Fragen gestellt bekommen. Konkrete Fallbeispiele bieten den Planern etwas, das sie untersuchen können, anstatt etwas, das sie erraten müssen.

Das ist der Maßstab, an dem Sie sich orientieren sollten, bevor die Standortplanung feststeht. Eine netzfähige Erweiterung basiert auf fundierten Tests, klaren Annahmen und realistischen Phasengrenzen – nicht auf optimistischen Berechnungen auf dem Papier. OPAL-RT ist in diesem Prozess unverzichtbar, wenn Teams eine geschlossene Validierung benötigen, die das Netzverhalten, die Steuerung und die Anlagenreaktion in einem Modell vereint. Je fundierter Ihre Erkenntnisse sind, desto besser werden Ihre Entscheidungen zur Erweiterung ausfallen.