Es klingt logisch: Unterbrechungsfreie Stromversorgungen laufen immer und verbrauchen Strom. Moderne Anlagen, die auf modularen Konzepten basieren, verbrauchen allerdings deutlich weniger Strom als ihre traditionellen Vorgänger. Es ist folglich höchste Zeit, bestehende USV-Anlagen unter ökonomischen Gesichtspunkten genauer zu betrachten, auch dann, wenn sie funktionell noch eine lange Lebensdauer vor sich haben.USV-Anlagen gehören in den meisten Einsatzfällen praktisch zum Mobiliar. Nach der Installation laufen sie über extrem lange Zeiträume, meist bis die Leistungsreserven erschöpft sind und den steigenden Leistungsbedarf der geschützten Lasten nicht mehr decken können. Dadurch sind viele Anlagen im Einsatz, die ihren technischen Zenit längst überschritten haben.
Gleichgültig ob Batterieladestrategien, Wirkungsgrad oder Skalierbarkeit – fast alle Aspekte einer USV-Anlage sind für die verursachten Kosten relevant, und dies während der kompletten Laufzeit. Selbstverständlich sind die Anschaffungskosten längst abgeschrieben und tauchen in keiner Bilanz mehr auf. Doch die Betriebskosten wirken sich Tag für Tag negativ auf das Ergebnis des Rechenzentrums aus.
Selbst wenn ein Austausch der USV-Anlage zunächst Investitionskosten verursacht, kann das Technik-Upgrade spätestens mittelfristig Geld sparen. Im Bereich der erneuerbaren Energien kennt man das Konzept als „Repowering“. Dabei ersetzen moderne Turbinen die Windenergieanlagen der ersten Generationen, was für Betreiber, Umwelt und Anwohner zahlreiche Vorteile wie geringere Lärmbelästigung trotz höherer Leistungen bringt. Auch bei USV-Anlagen zieht ein Austausch durch ein aktuelles System Verbesserungen in vielen Bereichen nach sich. Vor allem wenn dabei eine modulare Anlage zum Einsatz kommt, die auch den Anschaffungspreis durch optimale Dimensionierung im Rahmen hält.
 
Saurer Apfel: Kaufpreis modulare USVs
Bei einer Neuanschaffung oder Austausch einer USV-Anlage ist zunächst der Kaufpreis die maßgebliche Zahl. Wenn der Fokus auf nachhaltig niedrigen Betriebskosten liegt, führt kein Weg an einer modularen USV-Anlage vorbei, und diese ist teurer als eine vergleichbare monolithische Ausführung. Dies liegt an den redundanten Komponenten und Baugruppen und an der aufwändigeren Steuerung für die Lastverteilung. Im Schnitt wird die modulare Anlage um die Hälfte bis hin zu zwei Dritteln teurer sein als eine USV-Anlage, die aus einem monolithischen Block besteht und sich nicht über einzelne Leistungseinheiten erweitern lässt.
Allerdings lässt sich auch zu diesem Zeitpunkt bereits ein Sparpotenzial umsetzen: Weil die monolithische USV-Anlage von Anfang an auf die projektierte Höchstlast samt Redundanz ausgelegt sein muss, ist sie stets deutlich überdimensioniert. Schließlich soll auch in Zukunft noch Wachstum in Form von höherem Leistungsbedarf möglich sein. Im Gegensatz dazu wird eine modulare USV-Anlage, abgesehen von einer kleinen Reserve, die durch die Blockgrößen der Leistungsmodule entsteht, exakt auf den aktuellen Bedarf ausgerichtet. Steigt der Energiebedarf, rüstet der Betreiber Leistungsmodule nach. Überdimensionierung gibt es bei modularen Anlagen nicht.
Um dennoch monolithische und modulare Anlage vergleichen zu können, geht man von identischen Kapazitäten aus, was aber zu einer höheren Anfangsdimensionierung als nötig beim modularen System führt. In der Praxis dürfte der Preisunterschied daher eher beim Faktor 1,5 als bei 1,66 liegen.
Die Funktionsweise einer modularen USV-Anlage ist simpel. Die zu schützende Last versorgen mehreren parallel arbeitende Leistungsmodule. Im Normalfall ist ein Leistungsmodul mehr in Betrieb, als für die Last nötigt ist (n+1). Fällt ein Modul aus, sind die Verbleibenden in der Lage, die Last weiterhin zu schützen. Der Anwender kann dann so schnell wie möglich das defekte Modul gegen ein neues austauschen und die Redundanz wieder herstellen. Bei höheren Ansprüchen an die Verfügbarkeit lassen sich zusätzliche Module als Redundanz vorsehen (n+x). Dann verkraftet das Gesamtsystem selbst den Ausfall von mehr als einem Modul.
 
Leistungsmodule
Der offensichtlichste Vorteil einer solchen modularen USV-Anlage ist die Skalierbarkeit. Systemabhängig sind die Leistungsmodule zwischen 20 und 50 kVA stark. Zwischen vier und acht Module passen gewöhnlich in einen Modulträger, bei höheren Anforderungen lassen sich weitere Modulträger parallel schalten. Betreiber gewinnen damit eine praktisch nahtlose und sofort umsetzbare Skalierbarkeit ihrer unterbrechungsfreien Stromversorgung. Die Auswirkungen auf die Kosten sind beim Kauf am höchsten, weil sich die USV exakt für den aktuellen Bedarf dimensionieren lässt. Sie zeigen sich aber auch im laufenden Betrieb. Denn die Verluste durch den Wirkungsgrad entstehen nur für eine Leistung, die annähernd der tatsächlich aktiven Last entspricht, nicht der Last plus der notwendigen Überdimensionierung. Ebenso müssen die Kühlsysteme im Rechenzentrum nicht die Verlustleistung einer großen Leistungsreserve abführen, sondern nur die der tatsächlich genutzten Leistungsmodule.
Modulare USV-Anlagen setzen sich nicht zuletzt deswegen auf dem Markt durch, weil ihr Wirkungsgrad höher ist als der von monolithischen Ausführungen. Auch wenn es bei herkömmlichen monolithischen USV-Anlagen scheinbar nur um Unterschiede von fünf bis acht Prozent geht, sind die Auswirkungen unter dem Strich erheblich. Ein Effizienzgewinn von einem Prozent bei einer Rechenzentrumslast von 200 kW bedeutet auf Basis eines Strompreises von zwölf Cent pro kWh eine Einsparung von über 2.000 Euro pro Betriebsjahr.
Die Verlustleistung eines USV-Systems hat in etwa einen Anteil von 50 Prozent an den Gesamtkosten. Monolithische Anlagen haben damit zu kämpfen, dass sie ihren besten Wirkungsgrad nur nahe Volllast erreichen. Von diesem Betriebspunkt sind sie aber aufgrund der hohen Redundanzreserven weit entfernt.
 
Ruhemodus für USV-Anlagen
Die Leistungsmodule modularer USV-Anlagen arbeiten dagegen immer nahe an Volllast und damit am Optimum. Mittlerweile verfügen modulare USV-Anlagen auch über einen Hibernation-Modus, der den Wirkungsgrad nochmals verbessert. Hibernation bedeutet, dass nicht benötigte Leistungsmodule in einen Stromsparmodus gehen, ähnlich dem Ruhemodus eines Notebooks. Der Energieverbrauch der Module reduziert sich extrem, nur noch wenige Milliampere fließen. Steigt die Last an, wachen die Module innerhalb von einigen Millisekunden wieder auf und arbeiten normal weiter. Bei einem extremen Lastsprung schaltet die USV unterbrechungsfrei auf Bypass-Betrieb, während die Module hochfahren. Voraussetzung für den Hibernation-Modus ist in der Regel eine höhere Redundanzkonfiguration, also n+2 oder n+3 anstelle von n+1.
Weil sich Module über sehr lange Zeit im Hibernation-Modus befinden können, kann die Steuerung der USV-Anlage Module in vorher festgelegten Intervallen aufwecken und dafür andere Module in den Ruhezustand versetzen. So verschleißen die Module gleichmäßig. Dies verhindert, dass ein Leistungsmodul im Vergleich zu seinen Kollegen die vielfache Betriebszeit ableistet. USV-Anlagen mit Hibernation-Funktion schaffen dadurch selbst im Teillastbetrieb (unter 40 Prozent Auslastung) Wirkungsgrade von bis zu 95,5 Prozent. Solche Werte sind bei ähnlicher Auslastung mit einem monolithischen System nicht erreichbar.
Die hohe und mit einfachen Mitteln erreichbare Redundanz hat auch Auswirkungen auf die Kosten des Systems. Auszeiten – ob geplant oder ungeplant – fließen mittlerweile in die betriebswirtschaftliche Rechnung des Unternehmens ein. Abhängig davon, wie hoch die ununterbrochene Betriebsbereitschaft der Stromversorgung gewertet wird, können Firmen die Redundanz mit einer modularen USV-Anlage auf n+2 oder n+x erhöhen. Ausfälle der Stromversorgung werden damit so extrem unwahrscheinlich, dass der Faktor „ungeplante Auszeit“ aus der Kostenrechnung verschwinden kann. Für die Verfügbarkeit ist wichtig, dass nicht nur die Leistungsmodule selbst redundant ausgeführt sind, sondern dass auch der Rest des Systems keinen Single Point of Failure aufweist. Steuerung, Akkus, Verteilungsinfrastruktur – alle Komponenten müssen zumindest über einen Alternativpfad verfügen.
 
Wartung und Downtime verkürzen
Auch eine geplante Downtime, beispielsweise für Wartungen, ist durch die Redundanz in der Regel nicht mehr nötig. Leistungsmodule lassen sich für den Service aus der laufenden USV-Anlage entnehmen und warten (Hot-Swap). Bringt der Service-Techniker ein Ersatzmodul mit, ist die Redundanz während der Wartung nicht eingeschränkt. Dasselbe gilt, wenn ein Modul während des Betriebs ausfällt. Der Service-Techniker oder der Betreiber selbst können das defekte Modul in wenigen Minuten tauschen und die Redundanz wiederherstellen. Die Mean Time To Repair (auch Mean Time To Recover – MTTR) ist so extrem kurz. Kommen noch die Online-Überwachungsfunktionen der USV-Anlage hinzu, sodass die Techniker über den Fernzugang Systemanalysen durchführen können und automatisch von der Anlage bei Fehlern informiert werden, sinken die Reaktionszeiten nochmals. Es ist zudem nicht erforderlich, das Modul vor Ort zu reparieren. Der Hersteller kann es abholen lassen, im eigenen Labor analysieren und den Fehler beheben.
Von der bequemeren Wartung mit kürzeren Vor-Ort-Einsätzen profitieren Hersteller und Betreiber. Die Service-Techniker verbringen weniger Zeit an den Standorten der USV-Anlagen und bewältigen pro Tag mehr Service-Einsätze. Die Anwender erhalten im Gegenzug günstigere Wartungsverträge, die ebenfalls die Betriebskosten senken.
Nicht unbedingt nur modularen USV-Anlagen vorbehalten sind Kosteneinsparungen bei der Akkutechnik. Die Akkus machen einen nicht unerheblichen Kostenfaktor innerhalb der Laufzeit der USV-Anlage aus. Es liegt schon deshalb im Interesse des Betreibers, die Lebensdauer der Akkus so hoch wie möglich zu treiben. Dass ein Akkutausch zu einer unerwünschten Downtime führen könnte, kommt noch erschwerend hinzu. Traditionell ist die Ladeschaltung für die Akkus relativ simpel. Die Akkus, zu Strängen aus einigen Dutzend Blöcken zusammengeschaltet, agieren als Einheit, und jeder Strang wird mit dem gleichen Strom und der gleichen Spannung geladen. Allerdings haben die einzelnen Blöcke durchaus andere Nennspannungen und Innenwiderstände, vor allem nach einer gewissen Betriebszeit. So kommt es, dass einige Akkus im Strang optimal laden, die meisten hingegen nicht. Modulare USV-Anlagen nutzen dagegen ein intelligentes Batterie-Management, das jede Zelle für sich überwacht und optimal ansteuert.
In der Summe hat das zu Folge, dass die Akkus in einem herkömmlichen USV-System über eine Laufzeit von zehn Jahren zweimal zu tauschen sind, bei einer modularen USV-Anlage dagegen nur einmal. Im Schnitt reduziert das die Total Cost of Ownership (TCO) um acht Prozent. Spareffekte sind also insgesamt durchaus in der Lage, die anfänglichen Investitionskosten auszugleichen.

Mit modularen USVs lässt sich relativ einfach ein Redundanzkonzept verwirklichen.

Modulare USV-Systeme ermöglichen eine Hot-Swap-Wartung.

Beiträge zur Gesamtkostenberechnung des USV-Betriebs.