Mittelspannungsschaltanlagenanwendungen in Rechenzentren und Projekten für erneuerbare Energien

Zwei Branchen, eine gemeinsame Abhängigkeit

Rechenzentren und Projekte im Bereich erneuerbare Energien scheinen wenig gemeinsam zu haben. Eines davon ist ein klimatisiertes Gebäude mit Serverschränken, deren Hauptausgabe digitale Informationen sind. Bei der anderen handelt es sich um eine weitläufige Außenanlage, die der Witterung ausgesetzt ist und deren Primärenergie in ein Übertragungsnetz eingespeister Strom besteht.

Unter der Oberfläche teilen sie jedoch eine entscheidende Abhängigkeit: Mittelspannungsschaltanlagen, die unter Betriebsbedingungen, die vor einem Jahrzehnt als ungewöhnlich galten, einwandfrei funktionieren. Beide Branchen sind außerordentlich schnell gewachsen. Beide stehen unter starkem Druck hinsichtlich Projektzeitplänen und Kapitalkosten. Und beide spezifizieren zunehmend SF₆-freie Geräte – Rechenzentren, die von Nachhaltigkeitsverpflichtungen der Unternehmen angetrieben werden, Projekte für erneuerbare Energien, die von der Logik geleitet werden, dass saubere Energieerzeugung nicht von einer Infrastruktur mit hohem GWP abhängig sein sollte.

In diesem Artikel werden die Anforderungen an Mittelspannungsschaltanlagen dieser beiden Sektoren im Detail untersucht. Der Schwerpunkt liegt auf den technischen Anforderungen, die die Auswahl der Ausrüstung beeinflussen, den Konfigurationen, die sich als effektiv erwiesen haben, und den Dokumentations- und Compliance-Anforderungen, die Beschaffungsteams in beiden Branchen mittlerweile als obligatorisch erachten.

Erster Teil: Rechenzentren

Die elektrische Architektur eines modernen Rechenzentrums

Ein Hyperscale-Rechenzentrum ist im Grunde eine Anlage zur Umwandlung elektrischer Energie. Der Strom kommt mit hoher oder mittlerer Spannung aus dem Versorgungsnetz, durchläuft mehrere Transformationsstufen und erreicht schließlich Server-Racks mit niedriger Spannung und außergewöhnlichen Zuverlässigkeitsanforderungen. Der Industriestandard für Betriebszeit – fünf Neunen oder 99,999 % Verfügbarkeit – erlaubt etwas mehr als fünf Minuten Ausfallzeit pro Jahr, einschließlich aller geplanten Wartungsarbeiten.

Mittelspannungsschaltanlagebefindet sich an der kritischen Schnittstelle zwischen der Energieversorgung und dem internen Verteilungsnetz des Rechenzentrums. In einer typischen Architektur werden Versorgungseinspeisungen mit 10 kV bis 36 kV in das Umspannwerk der Anlage vor Ort eingespeist, wo Mittelspannungsschaltanlagen für den Schutz der eingehenden Einspeisung, den Primärschutz des Transformators und die Umschaltung der Sammelschienenabschnitte sorgen. Nachgeschaltete zusätzliche Mittelspannungsschaltanlagen können große Kühlanlagen, USV-Eingangsschalttafeln und Generator-Parallelschaltanlagen für Notstromsysteme versorgen.

Die Schaltanlage dieser Architektur muss mehrere anspruchsvolle Kriterien gleichzeitig erfüllen. Es muss kompakt genug sein, um in die Grundfläche des Gebäudes zu passen, was eine teure Immobilie darstellt. Es muss zuverlässig genug sein, dass Wartungseingriffe in Stunden pro Jahrzehnt und nicht in Stunden pro Jahr gemessen werden. Und es muss in das Gebäudemanagementsystem und die Stromüberwachungsplattform des Rechenzentrums integriert werden können und Echtzeitdaten zu Schalterposition, Schutzereignissen und Gerätezustand liefern.

Warum Vakuum-Leistungsschalter Standard sind

Der Vakuum-Leistungsschalter ist aus technischen und betrieblichen Gründen zur Standardlösung für Mittelspannungsschaltungen in Rechenzentren geworden.

Technisch gesehen löscht ein Vakuumunterbrecher den Lichtbogen in einer versiegelten Keramikhülle, in der nichts brennt, nichts abgebaut werden kann und nichts austritt. Das Fehlen von Gas bedeutet, dass keine gasbezogene Wartung erfolgt. Für einen Rechenzentrumsbetreiber mit einer Anlage, die fünfzehn Jahre lang ohne größeren Stillstand betrieben werden kann, sind alle Geräte, die regelmäßig gewartet werden müssen, eine Belastung. Ein Vakuum-Leistungsschalter mit einem Betätigungsmechanismus der Klasse M2, der für 10.000 mechanische Betätigungen ausgelegt ist, kann über die gesamte Lebensdauer der Anlage funktionieren, ohne dass ein einziger Wartungseingriff am Unterbrecher selbst erforderlich ist.

Betrieblich sind Vakuum-Leistungsschalter gut an das Lastprofil eines Rechenzentrums angepasst. Die Last im Rechenzentrum ist relativ stabil – Server stoppen und starten nicht wie Industriemotoren – was bedeutet, dass die elektrische Lebensdauer des Leistungsschalters selten durch häufige Fehlerunterbrechungen auf die Probe gestellt wird. Die primäre Betriebsanforderung ist ein zuverlässiges Schalten während geplanter Übertragungen zwischen Versorgungs- und Generatorquellen, was mechanisch anspruchsvoll, aber elektrisch unkompliziert ist. Ein gut konstruierter Federspeichermechanismus kann diese Funktion über Jahrzehnte hinweg konstant erfüllen.

Die ausfahrbare Konfiguration, die in metallgekapselten Schaltanlagen wie der KYN28- oder KYN61-Serie verwendet wird, bietet einen weiteren Vorteil für Rechenzentren: Ein Leistungsschalter kann zur Prüfung in die Test- oder Trennposition herausgefahren werden, ohne den gesamten Bus abzuschalten. In einer Anlage, in der die Ausfallkosten 100.000 US-Dollar pro Minute übersteigen können, kann allein diese Wartbarkeitsfunktion die Spezifikation der Schaltanlage rechtfertigen.

Die Umstellung auf SF₆-Freiheit im Rechenzentrumssektor

Rechenzentrumsbetreiber sind zu den einflussreichsten Befürwortern SF₆-freier Schaltanlagen geworden, und ihre Motivation ist nicht in erster Linie die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften. Viele der größten Betreiber – darunter auch die Hyperscale-Cloud-Anbieter – haben sich öffentlich dazu verpflichtet, innerhalb dieses Jahrzehnts CO2-Neutralität oder Netto-Null-Emissionen zu erreichen. SF₆ mit seinem 24.300-fach höheren Treibhauspotenzial als CO₂ steht in direktem Widerspruch zu diesen Verpflichtungen, wenn es in der elektrischen Infrastruktur jeder neuen Anlage vorhanden ist.

Ein einzelnes Mittelspannungs-RMU- oder GIS-Panel, das ein paar Kilogramm SF₆ enthält, macht für sich genommen keinen großen Teil des CO2-Fußabdrucks eines Rechenzentrums aus. Aber große Betreiber bauen jedes Jahr Dutzende von Anlagen, die jeweils mehrere Schaltfelder enthalten. Der kumulierte SF₆-Bestand in einem globalen Portfolio kann in Tonnen gemessen werden. Die Leckageraten sind gering, aber nicht Null, und die atmosphärische Lebensdauer von SF₆ bedeutet, dass jedes emittierte Gramm mehr als dreitausend Jahre in der Atmosphäre verbleibt.

Aus diesem Grund ist in den Ausschreibungsunterlagen für Rechenzentren mittlerweile routinemäßig „SF₆-frei“ als zwingende Anforderung enthaltenMittelspannungsschaltanlage. Die Anforderung taucht nicht nur auf europäischen Märkten auf, wo die EU-F-Gas-Verordnung einen rechtlichen Rahmen bietet, sondern auch in Nordamerika und im asiatisch-pazifischen Raum. Für Schaltanlagenhersteller ist der Rechenzentrumsmarkt zu einem starken kommerziellen Treiber für die SF₆-freie Produktentwicklung geworden – vielleicht der stärkste außerhalb des Versorgungssektors.

COTENELE liefert SF₆-freie 24-kV-Ringkabel und Vakuum-Leistungsschalterfelder für Rechenzentrumsprojekte, mit Trockenluftisolierung und Typprüfzertifizierung nach IEC 62271-200. Der lebenslang versiegelte Edelstahltank macht die Gasüberwachung, das Nachfüllen und die Rückgewinnung am Ende der Lebensdauer aus den Betriebsabläufen der Anlage überflüssig. Für einen Rechenzentrumsbetreiber bedeutet dies, dass ein System weniger überwacht werden muss, ein Wartungsvertrag weniger verwaltet werden muss und ein Punkt weniger in einem ESG-Audit erläutert werden muss.

Zweiter Teil: Projekte für erneuerbare Energien

Kollektornetzwerke für Windparks

Ein Windpark stellt eine elektrische Umgebung dar, die sich grundlegend von einem Rechenzentrum oder einer Industrieanlage unterscheidet. Die einzelnen Windkraftanlagen, typischerweise mit einer Leistung von jeweils 2 MW bis 8 MW, sind über ein geografisches Gebiet verstreut, das sich über mehrere Dutzend Quadratkilometer erstrecken kann. Jede Turbine erzeugt Niederspannung – typischerweise 690 V oder 1000 V – und wandelt sie über einen auf einer Unterlage montierten Transformator am Fuß des Turms auf Mittelspannung hoch. Mittelspannungskabel, normalerweise mit 33 kV oder 36 kV, verlaufen von jeder Turbine zu einem zentralen Umspannwerk, wo die Energie gebündelt und für die Übertragung wieder hochgestuft wird.

Die Schaltanlage in der Kollektorstation muss eine Kombination von Aufgaben bewältigen, die keine andere Anwendung vollständig reproduzieren kann. Die Leistungsschalter, die jeden Kollektoreinspeiser schützen, unterliegen häufigen Schaltvorgängen, wenn die Turbinen je nach Windbedingungen gestartet und gestoppt werden. Der Fehlerstrombeitrag von wechselrichterbasierten Windkraftanlagen unterscheidet sich grundlegend vom Fehlerstrom von Synchronmaschinen – er ist geringer, fällt schneller ab und ist für herkömmliche Schutzrelais manchmal schwierig vom normalen Laststrom zu unterscheiden. Und das Umspannwerk selbst befindet sich oft an einem abgelegenen Ort, wo Wartungsbesuche teuer, wetterabhängig und in den Wintermonaten manchmal wochenlang unmöglich sind.

Vakuum-Leistungsschalter sind für diese Umgebung gut geeignet. Die hohe mechanische Lebensdauer eines modernen VCB ermöglicht häufiges Schalten ohne Kontaktverschlechterung. Dem Vakuum-Unterbrecher ist die Quelle des Fehlerstroms, den er unterbrechen muss, gleichgültig – ob er von einem Synchrongenerator oder einer wechselrichterbasierten Ressource stammt, die Physik der Lichtbogenlöschung ist dieselbe. Und die lebenslang abgedichtete Konstruktion eines modernen VCB bedeutet, dass ein Wartungstechniker im Inneren des Unterbrechers nichts inspizieren muss, selbst wenn er vor Ort sein könnte.

Solar-PV- und Energiespeichersysteme

Photovoltaik-Solaranlagen im Versorgungsmaßstab haben einige Merkmale mit Windparks gemeinsam – Wechselrichter-basierte Erzeugung, geografische Streuung, häufiges Umschalten bei sich ändernder Einstrahlungsstärke –, fügen jedoch ihre eigenen Komplexitäten hinzu. Solaranlagen arbeiten typischerweise mit einer niedrigeren Spannung als Windparks: Das Mittelspannungssammelsystem kann 12 kV oder 24 kV statt 33 kV oder 36 kV betragen. Die DC-Seite der Anlage, von den Modulen über die Anschlusskästen bis zum Wechselrichtereingang, arbeitet mit Spannungen bis zu 1500 V DC und erfordert einen völlig separaten Satz an Schutz- und Isolationsgeräten.

Die zunehmende Zusammenlegung von Batterieenergiespeichersystemen mit der Solarenergieerzeugung bringt eine weitere Ebene der Anforderungen an Schaltanlagen mit sich. Ein Batterie-Energiespeichersystem kann über das Netz oder die Solaranlage aufgeladen und bei Bedarf wieder in das Netz eingespeist werden, was bedeutet, dass die Mittelspannungsschaltanlage am Verbindungspunkt den bidirektionalen Stromfluss bewältigen muss. Die Schutzeinstellungen müssen den Fehlerstrombeitrag der Batteriewechselrichter berücksichtigen, der erheblich sein und schnell ansteigen kann. Und die Schaltlast der Leistungsschalter erhöht sich weiter, da mehrere Lade-Entlade-Zyklen pro Tag die Anzahl der mechanischen Betätigungen erhöhen.

Die Compliance- und Dokumentationsschicht

Für Projekte im Bereich der erneuerbaren Energien, insbesondere solche, die von internationalen unabhängigen Stromerzeugern entwickelt oder von multilateralen Entwicklungsbanken finanziert werden, gelten mittlerweile Dokumentationsanforderungen, die mit denen von Versorgungsausschreibungen vergleichbar sind. Ein Mittelspannungs-Schaltanlagenpaket für einen Windpark oder eine Solaranlage erfordert in der Regel IEC-Typprüfzertifikate für jeden Leistungsschalter und jede RMU, Routineprüfberichte des Werks, eine Konformitätserklärung mit geltenden Umweltvorschriften und eine Referenzliste, die die frühere Lieferung ähnlicher Geräte belegt.

Der Grund liegt auf der Hand: Projektfinanzierung. Die Kreditgeber und Investoren, die Kapital für Projekte im Bereich erneuerbare Energien bereitstellen, führen für jedes größere Ausrüstungspaket eine technische Due-Diligence-Prüfung durch. Wenn der Schaltanlagenlieferant keine vollständige Dokumentation bereitstellen kann, kann es zu Verzögerungen beim Erreichen des Finanzabschlusses des Projekts kommen. Dies ist ein Risiko, das Entwickler sehr ernst nehmen.

COTENELE liefert Mittelspannungsschaltanlagen für Projekte im Bereich der erneuerbaren Energien, wobei standardmäßig ein vollständiges Dokumentationspaket enthalten ist. Typprüfbescheinigungen, Stückprüfberichte und Konformitätserklärungen werden bereits im Angebotsstadium bereitgestellt, nicht erst nach der Bestellung. Bei Projekten in Europa umfasst dies auch die Dokumentation der Konformität mit der EU-F-Gase-Verordnung. Für Projekte in anderen Regionen wird das Paket auf die lokalen Anforderungen zugeschnitten.

Die Technologieüberschneidung: Was beide Sektoren brauchen

Trotz ihrer Unterschiede weisen Rechenzentren und Projekte im Bereich erneuerbare Energien gemeinsame Anforderungen an Schaltanlagen auf. Die Identifizierung dieser Überschneidungen hilft zu erklären, warum bestimmte Technologien und Konfigurationen auf beiden Märkten dominant geworden sind.

Kompakte Stellfläche. Rechenzentren schätzen jeden Quadratmeter Leerraum. Umspannwerke für erneuerbare Energien befinden sich oft an Land mit begrenzter verfügbarer Fläche. In beiden Sektoren werden Schaltanlagen benötigt, die den physischen Platzbedarf minimieren, ohne den Zugang für Wartungszwecke zu beeinträchtigen. Dies ist einer der Gründe, warum metallgekapselte ausfahrbare Schaltanlagen und SF₆-freie RMUs an Marktanteilen gewonnen haben – sie vereinen umfangreiche Funktionalität in einem kompakten Gehäuse.

Zuverlässigkeit ohne häufige Wartung. Rechenzentren können sich Ausfallzeiten nicht leisten. Windparks können es sich nicht leisten, jeden Monat einen Techniker zu einer entfernten Umspannstation zu schicken. Vakuum-Leistungsschalter mit lebenslang versiegelten Unterbrechern und RMUs mit versiegelten Gastanks erfüllen diese Anforderung direkt.

SF₆-frei als Basis. Bei Rechenzentren sind Nachhaltigkeitsverpflichtungen der Unternehmen der Treiber. Bei Projekten im Bereich der erneuerbaren Energien liegt die Ursache in der Unvereinbarkeit der Verwendung eines Gases mit hohem GWP in der Infrastruktur, die zur Erzeugung sauberer Energie vorhanden ist. Beide kommen zur gleichen Spezifikationsanforderung.

Digitale Integration. Rechenzentren gehörten zu den ersten Anwendern intelligenter Schaltanlagen mit IEC 61850-Kommunikation, da sie die elektrische Überwachung in das Gebäudemanagementsystem integrieren mussten. Projekte für erneuerbare Energien folgen schnell, angetrieben durch die Notwendigkeit einer Fernüberwachung unbemannter Standorte. In beiden Fällen reduzieren Schaltanlagen, die ihren eigenen Zustand melden, Schaltvorgänge protokollieren und frühzeitig vor sich entwickelnden Problemen warnen, die Betriebskosten und das Risiko.

Vollständige Dokumentation. Beide Sektoren werden von anspruchsvollen Käufern dominiert – Betreiber von Großrechenzentren, internationale Entwickler erneuerbarer Energien, Infrastrukturfonds –, die die Dokumentation als Gatekeeper-Anforderung betrachten. Wenn die Unterlagen nicht vollständig sind, wird die Ausrüstung nicht berücksichtigt. Dies begünstigt Hersteller, die in Typprüfungen durch Dritte investiert haben und über organisierte Dokumentationssysteme verfügen.

Auswahl von Schaltanlagen für diese Anwendungen: Praktische Überlegungen

Für Projektingenieure und Beschaffungsteams, die in beiden Sektoren tätig sind, sollten sich mehrere praktische Überlegungen bei der Auswahl der Schaltanlage leiten lassen.

Beginnen Sie mit der Spannung und dem Fehlerpegel, aber hören Sie hier nicht auf. Bemessungsspannung und Kurzschlussausschaltvermögen sind die Mindesteintrittskriterien. Bewerten Sie darüber hinaus die mechanische Lebensdauer, den Wartungsbedarf während der Projektlaufzeit und die Verfügbarkeit von lokalem Service-Support.

Überprüfen Sie die Typprüfung für die spezifische Konfiguration. Ein Hersteller hat möglicherweise ein Standardmodul typgeprüft, jedoch nicht die spezifische Modulkombination, die für Ihr Übersichtsdiagramm erforderlich ist. Bestätigen Sie, dass die genaue Konfiguration getestet wurde oder dass der Hersteller eine technische Begründung für die Erweiterung des Typprüfungsumfangs vorlegen kann.

Fragen Sie vor der Bestellung nach der Dokumentation. Wenn ein Lieferant in der Angebotsphase keine Typprüfbescheinigungen, Stückprüfberichtsvorlagen und eine Konformitätserklärung vorlegen kann, ist es unwahrscheinlich, dass er diese zeitnah nach der Bestellung vorlegt. Dokumentationsverzögerungen können die Projektfinanzierung und -inbetriebnahme verzögern, und die Zeit, sie zu entdecken, liegt vor der Auftragsvergabe.

Berücksichtigen Sie die gesamten Lebenszykluskosten, nicht nur den Kaufpreis. Bei einem Rechenzentrum mit einer geplanten Lebensdauer von 15 Jahren übertreffen die Kosten eines einzelnen ungeplanten Ausfalls jeden Unterschied beim Kaufpreis der Schaltanlage. Bei einem Windpark mit 50 Turbinen, die über eine Bergkette verteilt sind, übertreffen die Kosten für die Entsendung eines Technikers zur Inspektion eines Leistungsschalters die Einsparungen durch die Wahl eines Produkts mit geringerer Spezifikation. Die Schaltanlage macht einen kleinen Teil der Gesamtinvestitionskosten eines Projekts aus, stellt jedoch einen großen Teil der Ausrüstung dar, die einen katastrophalen Ausfall verursachen kann. Dies ist nicht der richtige Ort, um auf den niedrigsten Anfangspreis zu optimieren.

Abschluss

Rechenzentren und Projekte für erneuerbare Energien stellen zwei der am schnellsten wachsenden Segmente des globalen Marktes für Mittelspannungsschaltanlagen dar. Sie sind auch die Segmente, in denen der Übergang zu nachhaltiger, digital integrierter, SF₆-freier Ausrüstung am schnellsten voranschreitet.

Die Schaltanlagentechnologien, die diese Märkte gut bedienen – Vakuumunterbrechung, Trockenluft- und Feststoffisolierung, ausfahrbare Konfigurationen mit hoher mechanischer Belastbarkeit, integrierte Zustandsüberwachung mit IEC 61850-Kommunikation – sind dieselben Technologien, die im nächsten Jahrzehnt die breitere Schaltanlagenindustrie bestimmen werden. Die Erkenntnisse aus Rechenzentrums- und erneuerbaren Energieanwendungen prägen die Produktentwicklung in allen Marktsegmenten.

Für COTENELE bedeutet die Versorgung dieser Sektoren die Bereitstellung von 24-kV-SF₆-freien RMUs und Vakuum-Leistungsschalterfeldern, die typgeprüft, vollständig dokumentiert und in Serienproduktion sind. Es bedeutet zu verstehen, dass ein Beschaffungsteam für ein Rechenzentrum und ein Windparkentwickler unterschiedliche technische Sprachen sprechen, aber die gleichen grundlegenden Anforderungen haben: Ausrüstung, die jahrzehntelang zuverlässig funktioniert, mit minimalem Eingriff und ohne Haftung für die Umwelt. Unsere Produktpalette und Dokumentationssysteme sind entsprechend aufgebaut.

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COTENELE liefert 12-kV- bis 40,5-kV-Vakuum-Leistungsschalter, SF₆-freie Ringkabeleinheiten und komplette metallgekapselte Schaltanlagen für Rechenzentren, erneuerbare Energien, Versorgungsunternehmen und Industrieanwendungen. Alle Produkte werden gemäß den geltenden IEC-Normen typgeprüft. Die vollständige Dokumentation wird in der Angebotsphase bereitgestellt.

Über COTENELE

COTENELE ist ein spezialisierter Hersteller von Mittelspannungsschaltanlagen, einschließlich SF₆-freier, umweltfreundlicher, gasisolierter Schaltanlagen, Vakuum-Leistungsschaltern, Ringleitungen und metallverkleideten Schalttafeln für 12-kV- bis 40,5-kV-Anwendungen. Unsere Produkte richten sich an Rechenzentrumsbetreiber, Entwickler erneuerbarer Energien, Versorgungsunternehmen und industrielle Käufer in ganz Europa, Asien und dem Nahen Osten. Jedes Produkt wird gemäß den geltenden IEC-Normen typgeprüft. Für die Angebotseinreichung und Projektabwicklung wird eine vollständige Dokumentation bereitgestellt.