Versorgungssicherheit am Edge
Verfügbarkeit unter allen Umständen
Die Cloud und das Internet der Dinge sind zurzeit Trendthemen. Doch ohne eine Stufe zwischen den unerschöpflichen Rechenleistungen in der Wolke und den limitierten Mikrocomputern in den IoT-Endgeräten geht es nicht. Diese Rolle wird Edge Computing übernehmen, Mini-Rechenzentren am Ort des Geschehens. Um seine Aufgabe zuverlässig zu erfüllen, verlangt Edge Computing umfangreiche Maßnahmen für hohe Verfügbarkeit, zum Beispiel eine robuste und kompakte unterbrechungsfreie Stromversorgung.
Besonders kleine und besonders große Strukturen fallen auf - wie Cloud-Computing und das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT). Die Cloud setzt mittlerweile jedes mittlere und große Unternehmen ein. Selbst privat nutzen die meisten Menschen einen Cloud-Dienst wie Dropbox, Office365 oder Google Docs - auch wenn sie es nicht als Cloud wahrnehmen. Eine aktuelle Studie von IT-Management-Anbieter Solarwinds ergab, dass 86 Prozent der deutschen IT-Experten Cloud Computing und hybride IT unter den fünf wichtigsten Techniken in der IT-Strategie ihrer Unternehmen sehen. Während die Cloud den Hype schon hinter sich hat und im Alltag angekommen ist, gilt IoT zurzeit noch als Zukunftstechnik. Aber dass beide Konzepte - Cloud und IoT - zu immer mehr intelligenten, vernetzten Endgeräten im persönlichen und beruflichen Umfeld führen werden, steht außer Frage.
Lokal erzeugen, lokal verarbeiten
In den vergangenen Monaten entstand eine weitere Diskussion: Wie werden lokal erzeugte Daten am besten verarbeitet? Die Cloud bietet unendliche Rechen- und Speicherkapazität, ist jedoch nur über latenzbehaftete Weitverkehrsverbindungen erreichbar. Die Kleinstcomputer in den IoT-Geräten agieren nah am Geschehen, haben jedoch limitierte CPU-Kapazität und meist keine Massenspeicher. Eine wahrscheinliche Folge sind Edge-Konzentratoren, also kleine Rechenzentren, die irgendwo zwischen Cloud und IoT-Endgerät angesiedelt sind. Analyst Thomas J. Bittman von Maverick Research schätzt in seinem aktuellsten Report, dass das Verhältnis zwischen Edge Computing und Cloud in den kommenden vier bis fünf Jahren den Schwerpunkt der Datenproduktion und -verarbeitung weg von zentralen Rechenzentren hin an den "Rand" (Edge) des Netzwerks verlagert.
Ein plakatives Beispiel sind zukünftige Anwendungen im automobilen Umfeld. In den Fahrzeugen selbst und in der Peripherie entstehen zahlreiche Daten. Alles, was das Auto selbst für seine Funktion benötigt, wird innerhalb des Fahrzeugs bearbeitet. Andere Informationen, die auch für den Rest der Verkehrsteilnehmer interessant sind, muss es mit der Umgebung teilen. Daher ist es zum Beispiel sinnvoll, wenn alle Fahrzeuge auf dem gleichen Abschnitt der Autobahn erfahren, dass ein Auto eine Notbremsung durchgeführt hat und es nun zum Stillstand gekommen ist. Auffahrunfälle lassen sich durch diese Information vermeiden oder zumindest ihre Zahl deutlich reduzieren.
Solche Informationen jedoch zunächst in die Cloud zu schicken und dann an alle relevanten Fahrzeuge zu verteilen, wäre zwar möglich, aber umständlich und fehleranfällig. Was, wenn die Netzverbindung gerade nicht besteht oder überlastet ist? Oder wenn die Auslastung des zuständigen Servers zu hoch ist und seine Bearbeitungszeiten länger als sonst? Für die Fahrzeuge in unmittelbarer Nähe des gebremsten Autos geht es um Sekunden oder Sekundenbruchteile. Es ist klar, dass es in so einem Fall erheblich sinnvoller ist, wenn sich der Weg in die Cloud und zurück vermeiden lässt. Genau in diesem Kontext kommt Edge Computing ins Spiel.
Ein Rechenzentrum an jeder Ecke
Thomas Bittmans Hauptthese lautet, dass sich das Wachstum in der Cloud verlangsamt und Rechenleistung und Speicherkapazität an den Rand des Netzwerks verlagern. Computer und Daten rücken näher an die Benutzer. Kleine Edge-Rechenzentren werden überall auftauchen, entlang der Straßen, an Verkehrsknotenpunkten, an öffentlichen Plätzen oder auch in größeren Industriebetrieben, wo sehr viele Sensordaten mit extrem hohen Anforderungen an die Latenz zu verarbeiten sind. Edge Computing ist in diesem Bild ganz abstrakt als zusätzliche virtualisierte Schicht zwischen Datenerzeuger und Cloud vorstellbar.
Es bildet eine lokale Entscheidungs- und Verarbeitungsebene, die nachgeordnete Instanzen entlastet. Diese Schicht bereitet Daten nach vorgegebenen Regeln auf und verbessert dadurch die Antwortzeiten, reduziert den Bandbreitenbedarf für die Cloud-Verbindung und verringert die benötigte Speicherkapazität im Rechenzentrum. Damit sind Anwendungen möglich, die sich nur mit der Cloud aufgrund zu geringer Bandbreite nicht umsetzen lassen oder die Daten erzeugen, die nur vor Ort - also im lokalen Kontext - eine Bedeutung haben und die das System nicht zentral bearbeiten muss. Je mehr IoT-Geräte in Zukunft die Fabrikhallen, Straßen und Gebäude besiedeln, desto wichtiger wird Edge Computing für das effiziente und kostengünstige Internet der Dinge.
Rechenzentren für Edge Computing müssen eine extrem hohe Verfügbarkeit aufweisen, da sie auch sicherheitsrelevante Anwendungen mit Rechenleistung versorgen werden, wie - siehe Beispiel - im Umfeld vernetzter Fahrzeuge. Sie sind zudem meist an entfernten und nur remote überwachten Standorten zu finden, sodass sich Fehler nur nach verhältnismäßig langer Wartezeit beheben lassen. Die darin verwendeten Systeme sollen möglichst autark agieren. Dafür müssen die Umgebungsbedingungen extrem zuverlässig sein.
Ein besonders wichtiger Faktor ist die Stromversorgung. Dabei geht es zunächst um die Qualität von Spannung und Frequenz. Deutschland verfügt über eine sehr stabile und saubere Stromversorgung im europäischen und vor allem im internationalen Vergleich. Dennoch sollte man sich nicht vom vermeintlich unbegrenzt verfügbaren Strom aus der Steckdose täuschen lassen. Staffan Reveman, selbstständiger Energieberater, erklärte dazu: "Auch wenn die Bilanz auf dem Papier gut aussieht, darf man nicht vergessen, dass Ausfälle unter drei Minuten nicht von der Statistik erfasst werden. Und durch die fortschreitenden Umbrüche im Energiemix, mit zunehmenden volatilen erneuerbaren Energieanteilen, kann im Moment niemand absehen, wie sich die Versorgungssicherheit des elektrischen Stroms entwickeln wird."
Schon heute schwanken Netzspannung und Frequenz ständig. Dies wird nur ohne Messgeräte nicht sichtbar, weil die Netzteile mit Schwankungen innerhalb bestimmter Toleranzen umgehen können und weil unterbrechungsfrei Stromversorgungen über ihre Filter- und Überbrückungsfunktionen die Differenzen ausgleichen. Falsch gehenden Uhren zeigten jedoch Anfang 2018, wie schnell sich schon kleine Änderungen in der Frequenz bemerkbar machen.
IT-Equipment ist noch viel stärker auf Spannungs- und Frequenzstabilität angewiesen. Hohe Resistenz gegen Überspannungen und Variabilität bei der Verarbeitung der Eingangsfrequenz wiegt meist schwerer als eine extrem lange Überbrückungszeit. Kurze Einbrüche fangen unterbrechungsfreie Stromversorgungen über die Kondensatoren in der DC-Strecke ab. Je größer der Schwankungsbereich sein darf, desto universeller kann ein Betreiber die USV verbauen. Dies gilt auch für die Frequenzregulierung. Der Markt liefert allerdings auch Antworten auf derartige Fragestellungen: Speziell für den Einsatz in Industrieumgebungen entwickelte USVs wie die Geräte von Wöhrle Stromversorgungssysteme verkraften Schwankungen zwischen 40 und 70 Hertz und halten dennoch die gewünschte Ausgangsfrequenz stabil.
Service, Reparatur und Standzeiten beachten
Besonders USVs an schwer erreichbaren Standorten müssen Akkus mit besonders langen Wartungsintervallen nutzen. Mit Reinblei-Akkus sind bis zu zehn Jahre - in der Regel gegen Aufpreis - möglich und lohnen sich, wenn man die Kosten durch aufwändige Service-Einsätze gegenrechnet. Mittlerweile kommen auch Lithium-Ionen-Typen zum Einsatz, die eine erheblich höhere Energiedichte aufweisen. Damit sind längere Überbrückungszeiten trotz geringer Größe möglich. Li-Ion-Akkus haben auch Vorteile beim Thema Entgasung, die für Blei-Akkus gewährleistet sein muss. Dies ist bei den oft hermetisch geschlossenen Schaltschränken in Industrie- oder Outdoor-Umgebungen nicht einfach.
Die Verfügbarkeit der unterbrechungsfreien Stromversorgung beeinflusst direkt die Funktion und Verfügbarkeit der nachgeschalteten Last. Viele Anwender glauben, dass eine möglichst hohe MTBF (Mean Time Between Failures) der wichtigste Parameter für die Verfügbarkeit einer USV ist. Doch die MTBF ist eine statistische Rechengröße, sie kann zutreffen, muss aber nicht. Für den praktischen Einsatz ist nicht relevant, wie lange es dauert, bis die USV ausfällt, sondern wie lange es dauert, bis sie wieder ohne Einschränkungen funktioniert. Dafür sind zwei weitere Faktoren entscheidend. Zum einen die "Mean Time to Recover" (MTTR). Sie gibt an, wie schnell sich eine USV instand setzen lässt, und zwar unabhängig vom Fehler. Der zweite Faktor ist Modularität und damit Redundanz.
USVs für schwierige Einsatzbedingungen müssen modular aufgebaut sein, am besten mit Leistungsmodulen, die sich im laufenden Betrieb tauschen lassen.
Die Modulbauweise erlaubt es, die Last mit n+x-Konfigurationen zu versorgen. So können x Module ausfallen, ohne dass der Verbraucher auf die Versorgung durch die USV verzichten muss. Hersteller Wöhrle Stromversorgungssysteme liefert zum Beispiel Leistungsmodule von 10 kW bis 50 kW, um einen Verbrauch bis in den Megawattbereich abzudecken.
Modularität erleichtert zudem Service und Reparatur. Defekte Leistungsmodule werden einfach - auch von ungeschulten Personen - gegen ein mitgebrachtes neues Modul getauscht. Die MTTR verbessert sich dadurch dramatisch. Service-Einsätze werden so ebenfalls leichter. Während der Techniker ein Modul testet, übernehmen die verbleibenden Module die Absicherung, ein Bypass-Modus ist nicht nötig.
Auch wenn die Kosten bei hohen Verfügbarkeitsanforderungen gewöhnlich keine Top-Priorität haben, sind niedrigere Betriebskosten besser als hohe. Die USV kann als Dauerläufer bekanntlich für einen nicht unerheblichen Anteil am Stromverbrauch verantwortlich sein. Je höher der Wirkungsgrad der USV ist, desto geringer fällt die Belastung für die Energiebilanz aus. Was bislang eine rein ökonomische Motivation ist, kann schon bald regulatorische Vorgabe sein. "Im Moment erzeugen wir Strom in Deutschland immer noch mit fast 50 Prozent fossilen Energieträgern," so Staffan Reveman, "Von einer wirklichen Dekarbonisierung, wie sie die Energiewende voraussetzt, sind wir noch meilenweit entfernt. Es ist anzunehmen, dass die politischen Rahmenbedingungen uns zu umfangreichen Energieeffizienzmaßnahmen zwingen werden."
Moderne, einschubmodulare Systeme mit intelligenten Stromsparmodi können Wirkungsgrade über 95 Prozent erreichen und die Betriebskosten im Zaum halten. Da die Auslastung im Normalfall einen großen Einfluss auf den Wirkungsgrad hat, sind einschubmodulare Systeme ebenfalls im Vorteil. Durch die Leistungsmodule können solche USVs näher am optimalen Betriebspunkt arbeiten als monolithische USVs.
Das Edge-Zeitalter steht dicht bevor
Edge Computing wird der nächste große Trend, da ist sich Thomas Bittman sicher: "IoT und intuitive, interaktive Benutzeroberflächen werden ein Drittel der großen Unternehmen dazu bringen, bis 2021 Edge-Standorte zu bauen oder in Colocation zu nutzen." Damit werden auch Lösungen für langfristig autarke Mini-Rechenzentren notwendig, und die wiederum benötigen zuverlässige Stromversorgungen. Einschubmodulare USV-Systeme für Industrieumgebungen sind bereits heute verfügbar und passen optimal zum Anforderungsprofil von Edge Computing. Mit solchen USVs lassen sich Kleinstrechenzentren überall langfristig und zuverlässig betreiben.
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