Rechenzentren mit großer Last: Zusammenschaltung mit dem Stromnetz

Von: Julia Matevosyan, Stellvertretende Direktorin & Ingenieur:innen, Energy Systems Integration Group (ESIG)

Julia Matevosyan ist Senior-Mitglied des IEEE und promovierte in Elektrotechnik am Königlichen Institut für Technologie in Stockholm. Sie ist Expertin für die Integration Erneuerbare Energien und verfügt über umfangreiche Erfahrungen mit der Einhaltung von Netzkodizes, der Planung von Wind- und Wasserkraftwerken und der Entwicklung von Übertragungssystemen. Julia hat maßgeblich dazu beigetragen, die technischen Anforderungen für den Anschluss erneuerbarer Energien an Energiesysteme voranzutreiben, und ist eine anerkannte Autorität auf dem Gebiet der Energiesystemanalyse und -planung. Zuvor war sie leitende Ingenieur:innen bei ERCOT und ist jetzt stellvertretende Direktorin und Ingenieur:innen bei ESIG.

Rechenzentren als große Lasten

Rechenzentren gewinnen zunehmend an Bedeutung rasch gewinnen zunehmend an Bedeutung als eine der wichtigsten neuen Kategorien der Stromnachfrage. Nach verschiedenen Prognosen des US-Energieministeriums (DoE), des EPRI und von Grid Strategies wird ihre installierte Kapazität schnell wachsen, von etwa 20 GW im Jahr 2023 auf mehr als 120 GW im Jahr 2030 (Szenario der oberen Grenze), und sie sind geografisch auf einige wenige Regionen konzentriert, in denen ihre Verbindungsanfragen einen erheblichen Teil der gesamten neuen Last ausmachen.

Rechenzentren gehören zu einer breiteren Klasse moderner Großlasten, zu denen auch Lager für Elektrofahrzeuge, Wasserstoff-Elektrolyse-Anlagen, Halbleiter- und Batterieproduktionsanlagen und andere energieintensive Industrien gehören. Diese Anlagen unterscheiden sich grundlegend von historischen industriellen Lasten wie Aluminiumhütten oder Chemiewerken. Während ältere Industrielasten zwar groß, aber gleichmäßig und vorhersehbar waren, haben moderne Großlasten Eigenschaften, die neue und komplexe Herausforderungen für das Stromsystem darstellen.

Zu den Hauptmerkmalen, die speziell Rechenzentren als neue Großlastkategorie auszeichnen, gehören:

• Nachfrage nach Last: Eine einzelne Anlage kann Hunderte von Megawatt umfassen, und inzwischen werden Projekte im Gigawattbereich vorgeschlagen.
• Spannungsniveau bei der Zusammenschaltung: Die Verbindung erfolgt in der Regel auf der Übertragungsebene, nicht auf der Verteilungsebene.
• Geografische Bündelung: Mehrere Einrichtungen sind in Gebieten wie Nord-Virginia oder Dallas-Fort Worth konzentriert, wodurch eine sehr große, lokal begrenzte Nachfrage entsteht.
• Leistungselektronik-basierte Schnittstelle: Rechenzentren verwenden Umrichter als Schnittstelle zum Stromnetz, was zu besonderen Herausforderungen bei der Zusammenschaltung führt, z. B. Empfindlichkeit gegenüber Spannungs- und Frequenzstörungen, Stromqualität und Schutzproblemen.
• Dynamische Lastprofile: KI-Trainingscluster können große und schnelle Schwankungen verursachen, mit Änderungen von mehreren zehn Megawatt innerhalb von Sekunden, ein Verhalten, das eher der variablen Erzeugung als der traditionellen Nachfrage ähnelt. Abbildung 1 zeigt das Lastprofil eines KI-Rechenzentrums, das während des KI-Trainings sehr schnelle Schwankungen des Wirkleistungsverbrauchs mit großer Amplitude aufweist.
• Undurchsichtig für Systembetreiber: Viele große Lasten werden von privaten Unternehmen entwickelt, die nur wenig über ihren Zeitplan, ihre Eigenschaften, ihre Lastformen oder ihr Flexibilitätspotenzial preisgeben, was Prognosen und Betriebsplanung erschwert. Dies führt zu erheblichen Unsicherheiten bei der Vorhersage und Planung des Lastwachstums.
• Schnelligkeit des Ausbaus: Hyperscale-Rechenzentren werden in der Regel innerhalb von zwei bis drei Jahren gebaut, also viel schneller als die sieben bis zehn Jahre, die für die Aufrüstung größerer Übertragungskapazitäten erforderlich sind. Dadurch entstehen zeitliche Diskrepanzen, die zu Rückständen bei der Zusammenschaltung, Problemen mit der Angemessenheit der Ressourcen und Engpässen bei der Übertragung führen.
• Störungsüberbrückung und Auslöseverhalten: Bei Störungen auf der Übertragungsebene schalten große Lastanlagen vom Netz auf ihre Reserveversorgung um und verstärken so die Auswirkungen von ansonsten routinemäßigen Ereignissen. Eine gleichzeitige Umschaltung mehrerer großer Lastanlagen, die in einem geografischen Gebiet konzentriert sind, kann zu einem kaskadenartigen Ausfall der Stromerzeugung und einem unfreiwilligen Kund:innen führen.

Zusammengenommen positionieren diese Merkmale Hyperscale-Rechenzentren als das dringlichste Beispiel für moderne große Lasten. Ihre einzigartigen Funktionen haben weitreichende Auswirkungen auf die Planung, den Betrieb und die Zuverlässigkeit des Stromnetzes - Herausforderungen, die in den folgenden Abschnitten untersucht werden.

Auswirkungen auf das Stromnetz

Das Aufkommen großer Lasten hat erhebliche Auswirkungen auf das Stromnetz. Ihr Wachstum verdeutlicht die Diskrepanz zwischen der Geschwindigkeit, mit der diese Einrichtungen gebaut werden, und den Fristen, die für die Verstärkung des Netzes und den Bau neuer Erzeugungsanlagen erforderlich sind. Entwickler können große Rechenzentren in etwa zwei bis drei Jahren in Betrieb nehmen, während Planung, Genehmigung und Bau von Übertragungs- und Erzeugungsanlagen oft ein Jahrzehnt oder länger dauern. Diese Diskrepanz bei der Planung von Übertragungs- und Erzeugungsanlagen birgt die Gefahr von Engpässen und unzureichenden Kapazitäten zur Deckung des Bedarfs, wenn dieser entsteht. Im Betrieb führt die Unsicherheit der kurzfristigen Lastprognosen (Day-Ahead und Intraday) zu einem suboptimalen Einsatz von Erzeugungseinheiten, während hohe Nachfrageschwankungen zu einem wachsenden Bedarf an Betriebsreserven führen.

Bedenken hinsichtlich der Zuverlässigkeit ergeben sich auch aus dem Ride-Through-Verhalten, der Spannungs-/Frequenzstabilität und dem Schwingungsverhalten von Rechenzentren. Große Cluster von Einrichtungen können bei ansonsten routinemäßigen Fehlern offline gehen, was zu kaskadenartigen Ereignissen führt, die sich auf das Gesamtsystem auswirken.

In Nord-Virginia wurden bei Überprüfungen von Störungen 1.500 bis 1.800 MW an Lastabschaltungen bei Übertragungsfehlern dokumentiert. ERCOT-Studien haben gezeigt, dass die gleichzeitige Auslösung von 2,6 GW konzentrierter Rechenzentrumslast die sicheren Frequenzgrenzen überschreiten könnte, wodurch die Gefahr von kaskadenartigen Generatorausfällen entsteht. Diese Beispiele zeigen, dass die Herausforderungen von Hyperscale-Rechenzentren nicht mehr theoretisch sind, sondern bereits in der Praxis beobachtet werden.

Auswirkungen auf die Netzqualität entstehen auch in Form von Oberschwingungen, Flicker und schnellen Blindleistungsschwankungen, die sich über die Umrichter und Kühlsysteme der Anlage hinaus in die Übertragungskorridore ausbreiten, Schutzsysteme erschweren und die Netzqualität für andere Kund:innen verschlechtern. Schließlich hindern die begrenzte Beobachtbarkeit und der unvollständige Datenaustausch die Systembetreiber daran, die vollen Auswirkungen dieser Lasten zu beurteilen. Mit zunehmender Größe, Variabilität und neuen Leistungsmerkmalen, die durch neue große Lasten eingeführt werden, wächst der Bedarf an Hochgeschwindigkeitsdatenaufzeichnung (wie z. B. Phasenmessgeräte, dynamische Fehleraufzeichnungsgeräte und dynamische Störungsaufzeichnungsgeräte).

Verbundstudien und Modellierungsbedarf

Bestehende Verfahren zur Untersuchung von Zusammenschaltungen sind für Rechenzentren und andere große Lasten nicht gut geeignet. Die derzeitigen Methoden stützen sich stark auf statische Lastmodelle, die für die Erfassung der schnellen Dynamik, des Umrichterverhaltens, der Ride-Through-Leistung und der komplexen Wechselwirkungen großer Lasten mit anderen Netzelementen ungeeignet sind. Infolgedessen werden die tatsächlichen Auswirkungen dieser Anlagen auf die Systemstabilität und -zuverlässigkeit bei den Zusammenschaltungsprozessen oft nicht erfasst.

Um diese Einschränkungen zu überwinden, ist eine fortschrittliche Modellierung erforderlich. Elektromagnetische Transientensimulationen (EMT) sind notwendig, um die Hochgeschwindigkeitsdynamik von unterbrechungsfreien Stromversorgungssystemen (USV), Umrichtern und das Verhalten von Rechenzentren in Clustern zu untersuchen. Ohne detaillierte und genaue EMT-Studien können wichtige Schwingungsmoden und Fehlerinteraktionen übersehen werden.

Damit die detaillierten Zusammenschaltungsstudien repräsentativ sind, sind Hochpräzis sowohl im Phasenbereich als auch in der EMT erforderlich. Während die Anforderungen an Generatormodelle inzwischen gut verstanden sind und sowohl herstellerspezifische als auch generische Modelle erhalten und parametrisiert werden können, um tatsächliche Kraftwerke zu repräsentieren, kann dies aus den folgenden Gründen nicht für große Lastmodelle gesagt werden:

• Fehlen etablierter Anforderungen an Modellierung, Tests, Modellvalidierung und Benchmarking für Rechenzentren oder andere große Lasten.
• Unterschiedliche Nutzung und Gestaltung von Großlastanlagen sowie Vertraulichkeitsprobleme, die die Entwicklung repräsentativer Standardbibliotheksmodelle behindern.
• Mangelndes Verständnis von Aspekten großer Lasten, die für die Modellierung von Netzauswirkungen und Studien wichtig sind.
• Mangel an hochauflösenden Daten und kein Verfahren zur Modellvalidierung nach der Inbetriebnahme.

Die oben genannten Lücken sind eine Parallele zu den Anfängen der Integration wechselrichtergestützter Ressourcen (IBR), als unvollständige Modelle die Untersuchung der Systemauswirkungen erschwerten. In ähnlicher Weise ist für die Entwicklung großer Lastmodelle ein iterativer Prozess erforderlich. Die Systembetreiber müssen Modellierungsanforderungen entwickeln, um die Nützlichkeit und Genauigkeit von Verbund- und Planungsstudien zu gewährleisten. Die Anlagenhersteller müssen validierte anbieterspezifische Anlagenmodelle entwickeln und sich dabei auf netzrelevante Aspekte der Anlagen konzentrieren. Entwickler und Berater werden dann in der Lage sein, ein Modell zusammenzustellen, das für jeden großen Laststandort repräsentativ ist und die Anforderungen der Netzbetreiber erfüllt. Es müssen Anforderungen für die Messung und Speicherung hochauflösender Daten festgelegt werden, um eine Modellvalidierung nach der Inbetriebnahme zu ermöglichen. Standard-Bibliotheksmodelle für große Lasten können immer noch nützlich sein, z. B. für großräumige Planungsstudien oder Durchführbarkeitsstudien, bei denen die spezifische Auslegung großer Lasten noch ungewiss ist.

ESIG-Taskforce für große Lasten

Um einige der oben genannten Lücken zu schließen, hat die Energy Systems Integration Group (ESIG) die Large Load Task Force (LLTF) gegründet. Das Hauptziel ist es, die Forschung zu koordinieren, bewährte Verfahren auszutauschen und Lösungen für die Zusammenschaltung von gewinnen zunehmend an Bedeutung Großlasten zu entwickeln. Die Task Force bringt Systembetreiber, Versorgungsunternehmen, Forscher:innen und Branchenvertreter zusammen, um diese Herausforderungen gemeinsam anzugehen.

Wie in Abbildung 2 dargestellt, erstreckt sich der Aufgabenbereich der LLTF auf alle in diesem Artikel beschriebenen Bereiche, einschließlich:

• Datenerhebung und Lastprognose
• Zusammenschaltungsprozess und Leistung
• Anforderungen an die Modellierung
• Planung der Übertragung
• Angemessenheit der Ressourcen
• Optionen für den Großhandelsmarkt

Während Fragen der Zusammenschaltung unmittelbare Priorität haben, befasst sich die Task Force auch mit den weiterreichenden Auswirkungen auf das System, z. B. mit der Übertragungsplanung, der Angemessenheit der Ressourcen und der Marktintegration von Großlasten. Diese Bereiche sind noch nicht so weit entwickelt, sind aber von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass das Wachstum großer Lasten die Zuverlässigkeit und Effizienz des Systems unterstützt und nicht untergräbt.

Wichtigste Erkenntnisse

Große Rechenzentren sind ein Beispiel für die neue Klasse von Großlasten, die das Stromsystem umgestalten. Ihre einzigartigen Merkmale - wie Größe, Clusterbildung, Konverterschnittstellen, dynamisches Verhalten und Undurchsichtigkeit - haben Auswirkungen auf Planung, Betrieb, Zusammenschaltung und Zuverlässigkeit. Die realen Ereignisse in Regionen wie PJM und ERCOT bestätigen, dass diese Herausforderungen bereits Realität sind.

Ihre Bewältigung erfordert neue Ansätze für Verbundstudien, bei denen EMT-Modellierung, standardisierte Lastmodelle und transparenter Datenaustausch im Mittelpunkt stehen. Über technische Studien hinaus ist eine umfassendere Koordinierung zwischen Märkten, Übertragungsplanung und Angemessenheitsbewertungen erforderlich.

Die ESIG Large Load Task Force bietet ein einzigartiges Forum, um diese Arbeit zu organisieren, Experten aus verschiedenen Bereichen zusammenzubringen und praktische Ergebnisse zu entwickeln, die Systembetreiber und Industrievertreter unterstützen. Die fortgesetzte Zusammenarbeit im Rahmen der LLTF wird von entscheidender Bedeutung sein, um sicherzustellen, dass große Rechenzentren - und andere gewinnen zunehmend an Bedeutung Großlasten - zuverlässig in das Energiesystem der Zukunft integriert werden können.