Wie man seinen Drachen trainiert: Der Aufstieg der Hyperscaler-Rechenzentren

von: Sam Maleki, Hauptberater PPC & Data Center Controller, EdgeTunePower Inc

Dr. Sam Maleki ist ein Branchenführer, der sich auf die Integration von Rechenzentren und die Zusammenschaltung großer inverterbasierter Ressourcen (IBR) innerhalb des nordamerikanischen Stromnetzes spezialisiert hat. Bei RMS Energy konzentriert er sich auf die Förderung der Netzzuverlässigkeit, die Integration erneuerbarer Energien und sichere Stromversorgungslösungen für Technologien gewinnen zunehmend an Bedeutung . Als Adjunct Professor an der McMaster University trägt Dr. Maleki zur Ausbildung und Forschung im Bereich moderner Energiesysteme bei. Er ist außerdem Mitbegründer von ElectroMentors, einer globalen Schulungsplattform, die Elektro- und Ingenieur:innen mit praktischen Fähigkeiten ausstattet, um die Herausforderungen der heutigen Stromnetze zu bewältigen. Seine Arbeit schlägt Brücken zwischen Industrie, Akademie und Innovation, um die Zukunft zuverlässiger und nachhaltiger Energiesysteme zu gestalten.

Energiesysteme wurden auf einfachen Grundlagen aufgebaut: Lasten müssen bedient werden, und Erzeugungseinheiten müssen die Stabilität und Zuverlässigkeit des Netzes aufrechterhalten. Jahrzehntelang bedeutete dies massive Synchrongeneratoren mit viel Trägheit und Schleuderreserve. Die Lasten waren vorhersehbar, stiegen morgens an, erreichten nachmittags ihren Höchststand und gingen über Nacht allmählich zurück. Diese Vorhersehbarkeit ermöglichte uns eine effektive Planung.

Doch das Netz hat sich verändert. Große, auf Wechselrichtern basierende Ressourcen (IBR), Solar- und Windenergie sowie Energiespeicher, dominieren jetzt in vielen Regionen und liefern manchmal fast die gesamte Energie des Systems. Im Gegensatz zu Synchrongeneratoren sind diese Einheiten schwieriger zu planen. Die Leistung von Wind- und Solaranlagen schwankt ständig, und ihre Steuerung führt manchmal zu unerwartetem Verhalten: Oszillationen und Instabilitäten wie sub-synchrone Regelungsinteraktion (SSCI), sub-synchrone Frequenzreaktion (SSFR) und niederfrequente Schwankungen, die durch Änderungen der Sonneneinstrahlung verursacht werden.

Auch bei der Inbetriebnahme dieser Anlagen haben sich Herausforderungen ergeben. Wir haben Verzögerungen festgestellt, weil die Simulationsmodelle nicht immer mit der hardware übereinstimmen. So verhalten sich beispielsweise die Power Plant Controller oft ganz anders als modelliert und führen zu Kommunikationsverzögerungen von mehreren Sekunden, während die Simulationen von nur 200 ms ausgingen. Auch transiente Reaktionen wichen oft von den Erwartungen ab.

Was ist schief gelaufen?

Wir vertrauten den Simulationsdateien, als ob sie die hardware perfekt abbilden würden. Das taten sie aber nicht. Die Modelle waren oft ungenau, manchmal nicht einmal annähernd. Dies führte zum Aufkommen von Tests (HIL) und Modellvalidierung auf Geräteebene. Die Anbieter wurden aufgefordert zu beweisen, dass die im Labor getesteten Geräte mit den Simulationen übereinstimmen. Eine Validierung auf Geräteebene allein reicht jedoch nicht aus. Die Validierung des Modells der gesamten Anlage ist entscheidend. Wir müssen nicht nur die einzelnen Geräte verstehen, sondern auch, wie Kommunikation, Steuerungen und Schutzvorrichtungen zusammenwirken. Hybridanlagen, Batterie-Energiespeichersysteme (BESS), Photovoltaik (PV) und Windkraft können eine komplexe Dynamik erzeugen, die wir in isolierten Einheitstests nicht erkennen können.

Manche behaupten, Simulationen seien ausreichend. Aber in Wirklichkeit haben sie uns schon oft im Stich gelassen. Andere sagen, wir könnten Probleme vor Ort lösen. Das stimmt, aber zu welchem Preis? Ich habe erlebt, dass sich Verzögerungen bei der Inbetriebnahme über ein Jahr hinziehen und dass Anlagen monatelang gedrosselt oder abgeschaltet werden. Die entgangenen Einnahmen gehen oft in die Millionen.
Jetzt stehen wir vor einer größeren Herausforderung: Hyperscaler-Rechenzentren. Und wenn wir dieselben Fehler wiederholen und unvollständigen Modellen vertrauen, riskieren wir noch mehr. Ich nenne diese Hyperscaler "Drachen". Sie sind riesig: Ein einziger Campus benötigt bis zu 1 GW an einem einzigen Verbindungspunkt. Rechenzentren in Irland verbrauchen bereits über 20 % des Stroms des Landes und zwingen den Netzbetreiber, in einigen Regionen neue Anschlüsse zu stoppen. Zum Vergleich: Die gesamte Stadt Toronto verbraucht etwa 5 GW. Stellen Sie sich 20 % davon an einem einzigen Standort vor. Diese Drachen rennen um die Wette, um angeschlossen zu werden, und die Gewinner werden diejenigen sein, die am schnellsten vorankommen. Aber die Genehmigung zum Anschluss zu erhalten ist nicht dasselbe wie der tatsächliche Anschluss. Die Versorgungsunternehmen haben aus IBR-Projekten gelernt, dass Modelle und Realität oft nicht übereinstimmen. Glauben wir wirklich, dass sie den Anschluss von Lasten, die fünf- bis zehnmal so groß sind wie alle anderen, ohne weitaus strengere Zusicherungen zulassen werden?

Die Versorgungsunternehmen werden den Nachweis eines stabilen, vorhersehbaren Betriebs verlangen: Spannungsdurchgängigkeit, Frequenzdurchgängigkeit und kontrollierte Lastrampen. Das Netz verträgt keine plötzlichen Schwankungen wie die Last eines Rechenzentrums, die innerhalb von Sekunden von 300 MW auf 800 MW springt oder ganz verschwindet. Ein sofortiger Verlust von 1 GW könnte die Systemfrequenz zum Absturz bringen (denken Sie an die Frequenzänderungsrate [RoCoF]).

Wie trainieren wir also diese Drachen?

1. Genaue Modelle Jetzt können wir uns nicht mehr nur auf software verlassen. Tests müssen umfassend sein und sicherstellen, dass die hardware genau mit den Modellen übereinstimmt.
2. Digitale Zwillinge Ganze Anlagen sollten in Echtzeit-Simulationsumgebungen nachgebildet werden, wobei physische Steuerungen und Schutzeinheiten im Labor verwendet werden. USVs und Transformatoren in Originalgröße müssen nicht physisch nachgebildet werden; aggregierte Modelle reichen aus. Auf diese Weise können wir unzählige Szenarien testen und mit Zuversicht in die Inbetriebnahme gehen.
3. Inbetriebnahme und Fehlersuche Digitale Zwillinge sind auch ein leistungsfähiges Werkzeug für die Fehlersuche. Bei IBRs kosten Verbindungsabbrüche bereits Millionen. Bei Hyperscaler-Rechenzentren mit ihrer "sechsneunten" Zuverlässigkeit (99,9999 %) könnten Ausfälle Milliarden kosten.

Die Frage ist einfach: Sind wir bereit, Milliarden von Dollar zu riskieren, indem wir untrainierte Drachen auf unser Netz loslassen? Oder werden wir uns die Zeit nehmen, sie heute zu trainieren, damit sie im Einklang mit dem Stromnetz arbeiten können?