Rechenzentren benötigen rund um die Uhr eine zuverlässige Stromversorgung. Server, Netzwerktechnik, Speichersysteme und Kühleinrichtungen müssen kontinuierlich mit Energie versorgt werden. Bereits kurze Unterbrechungen können dazu führen, dass IT-Systeme ausfallen oder Anwendungen nicht mehr erreichbar sind. Deshalb besteht die Stromversorgung eines modernen Rechenzentrums nicht nur aus einem einfachen Netzanschluss. Sie ist als mehrstufiges System aufgebaut, das elektrische Energie verteilt, überwacht und bei einem Ausfall der öffentlichen Versorgung absichert.

Zur Power Infrastructure eines Rechenzentrums gehören unter anderem Transformatoren, Schaltanlagen, unterbrechungsfreie Stromversorgungen, Stromverteilungseinheiten, Sammelschienensysteme sowie automatische Umschalteinrichtungen. Ergänzt wird diese Infrastruktur häufig durch Notstromaggregate und Energiespeicher, die bei einem Netzausfall einspringen.

Damit diese Systeme zuverlässig funktionieren, müssen unterschiedliche Betriebsgrößen überwacht werden. Neben elektrischen Messwerten wie Strom und Spannung spielen auch Temperatur und Druck eine wichtige Rolle.

Ein Rechenzentrum verarbeitet kontinuierlich Daten. Viele Dienste müssen 24 Stunden am Tag und sieben Tage pro Woche verfügbar sein.

Dazu gehören beispielsweise Cloud-Anwendungen, Unternehmenssoftware, Webservices, Datenbanken, Kommunikationssysteme, künstliche Intelligenz, Produktionssysteme und digitale Plattformen.

Fällt die Stromversorgung aus, können diese Systeme innerhalb kürzester Zeit nicht mehr verfügbar sein. Deshalb verfügen Rechenzentren in der Regel über mehrere Ebenen zur Absicherung der Energieversorgung. Bei einem Ausfall der öffentlichen Stromversorgung muss die Energieversorgung möglichst unterbrechungsfrei auf diese Systeme umgeschaltet werden.

Der genaue Aufbau unterscheidet sich je nach Größe und Sicherheitsanforderung. Grundsätzlich durchläuft die elektrische Energie jedoch mehrere Stationen. Zunächst gelangt der Strom über den Netzanschluss zum Rechenzentrum. Transformatoren passen die Spannung an die benötigten Ebenen an. Anschließend verteilen Schaltanlagen die Energie auf unterschiedliche Bereiche.

Unterbrechungsfreie Stromversorgungen überbrücken kurze Störungen und die Zeit, die beispielsweise ein Notstromgenerator zum Starten benötigt. Von dort gelangt der Strom über Stromverteiler und Sammelschienensysteme bis zu den einzelnen Server-Racks. Innerhalb des Racks übernehmen sogenannte Power Distribution Units die weitere Verteilung an die einzelnen Server.

Bei einem Ausfall der öffentlichen Netzversorgung muss die Energieversorgung eines Rechenzentrums möglichst ohne Unterbrechung aufrechterhalten werden. Eine USV oder UPS kann kurze Ausfälle überbrücken, häufig mithilfe von Batteriespeichern. Für eine längerfristige Versorgung kommen zusätzlich Energieerzeuger wie Diesel- oder Gasgeneratoren sowie Brennstoffzellensysteme zum Einsatz. Hier spielen Druck- und Temperaturmessungen eine wichtige Rolle – beispielsweise zur Überwachung des Öldrucks in Verbrennungsmotoren oder des Wasserstoffdrucks in Brennstoffzellensystemen.

Mit Sensorlösungen wie VSP, IPS und HPS bietet i2s passende Drucksensoren für unterschiedliche Medien und Einsatzbedingungen.

Transformatoren, Leistungselektronik, Batterien, Stromschienen, Netzteile und Schaltanlagen können sich während des Betriebs erwärmen. Eine bestimmte Erwärmung ist normal. Zu hohe Temperaturen können jedoch auf eine starke Belastung, unzureichende Kühlung oder einen technischen Fehler hinweisen.

Temperaturmessungen können deshalb dazu beitragen:

• ungewöhnliche Erwärmung zu erkennen
• Kühlsysteme zu überwachen
• thermische Belastungen zu erfassen
• Komponenten vor Übertemperatur zu schützen
• Wartungsbedarf frühzeitig zu erkennen

Leistungselektronische Systeme können erhebliche Wärmemengen erzeugen. Je nach Leistung und Aufbau werden diese Systeme mit Luft oder Flüssigkeit gekühlt. Bei Flüssigkeitskühlsystemen können Druck- und Temperatursensoren wichtige Informationen über den Zustand des Kühlmediums liefern. Temperatursensoren erfassen dabei, wie warm das Kühlmedium ist. Drucksensoren können überwachen, ob der erforderliche Betriebsdruck vorhanden ist und ob sich die Strömungsbedingungen verändern.

Transformatoren passen die elektrische Spannung an verschiedene Bereiche des Rechenzentrums an. Dabei entsteht Wärme. Je nach Größe und Bauart können Transformatoren luft- oder flüssigkeitsgekühlt sein.

Bei flüssigkeitsgefüllten Transformatoren können beispielsweise Temperatur und Zustand des Isolier- beziehungsweise Kühlmediums wichtige Betriebsinformationen liefern. Schaltanlagen verteilen und schalten elektrische Energie. Auch hier können hohe Ströme zu einer Erwärmung von Leitern, Kontakten und Anschlusspunkten führen. Die Temperaturüberwachung kann helfen, ungewöhnlich warme Bereiche frühzeitig zu erkennen.

Für direkte Messungen an elektrischen Leitern werden speziell dafür ausgelegte Temperatur- oder Infrarotsensoren eingesetzt. i2s konzentriert sich dagegen vor allem auf Sensorik für die dazugehörigen fluidischen und thermischen Systeme.

Power Distribution Units, kurz PDU, übernehmen die Verteilung der elektrischen Energie innerhalb des Rechenzentrums. Je nach Ausführung kommen sie auf Raumebene oder direkt im Server-Rack zum Einsatz. Dort versorgen sie die einzelnen IT-Komponenten mit Strom und können zusätzlich wichtige Überwachungs- und Steuerungsfunktionen übernehmen.

Moderne Rack-PDUs ermöglichen beispielsweise:

• Überwachung des Stromverbrauchs
• Messung einzelner Anschlüsse
• Remote-Schaltung
• Überlastwarnungen
• Netzwerkkommunikation
• Temperaturüberwachung

Damit sind PDUs ein wichtiger Bestandteil der Energieverteilung und unterstützen die Überwachung der Stromversorgung bis auf Rack-Ebene.

Ein Automatic Transfer Switch, kurz ATS, übernimmt die automatische Umschaltung zwischen verschiedenen Energiequellen. Er überwacht die reguläre Netzversorgung und kann bei einem Ausfall beispielsweise auf einen Notstromgenerator umschalten.

Dadurch lässt sich die Stromversorgung des Rechenzentrums auch bei einer vorübergehenden Störung des öffentlichen Netzes aufrechterhalten. Der ATS ist damit ein wichtiger Bestandteil einer redundanten und ausfallsicheren Energieversorgung.

Notstromgeneratoren bilden eine wichtige Absicherung für länger andauernde Stromausfälle. In Rechenzentren werden dafür häufig stationäre Generatoranlagen eingesetzt.

Ein Generator besteht nicht nur aus dem elektrischen Generator selbst. Ein sogenanntes Genset umfasst typischerweise einen Verbrennungsmotor, Generator, Kühlung, Kraftstoffversorgung, Schmierung, Abgassystem und Steuerung. Damit entsteht ein Bereich, in dem Druck- und Temperaturmessungen besonders relevant werden.

Sensoren innerhalb eines Rechenzentrums müssen zuverlässig über lange Zeiträume funktionieren. Bei Notstromaggregaten kommen zusätzliche Herausforderungen hinzu.

Dazu gehören:

• Vibrationen
• hohe Umgebungstemperaturen
• Öl und Kraftstoff
• wechselnde Betriebszustände
• Druckspitzen
• lange Stillstandszeiten
• kurzfristige Volllast

Die Auswahl eines Sensors sollte deshalb nicht allein anhand des Messbereichs erfolgen.

Medienverträglichkeit
Ein Druck- oder Temperatursensor kann direkt mit dem jeweiligen Medium in Kontakt stehen. Alle medienberührenden Materialien müssen deshalb dafür geeignet sein. Je nach Anwendung kann es sich beispielsweise handeln um:

Motoröl, Getriebeöl, Kühlmittel, Wasser-Glykol-Gemische, Luft, Stickstoff, Kältemittel, Wasserstoff.

Robustheit und Vibrationsfestigkeit
Ein laufender Verbrennungsmotor erzeugt Vibrationen. Sensoren, die direkt am Motor oder an angrenzenden Komponenten montiert werden, müssen diesen mechanischen Belastungen standhalten.

Messbereich und Genauigkeit
Der benötigte Messbereich hängt stark von der Anwendung ab. Ein Motorölkreislauf arbeitet unter anderen Bedingungen als ein Kühlsystem oder eine Wasserstoffversorgung. Der Sensor sollte deshalb auf den normalen Arbeitsbereich und mögliche Druckspitzen abgestimmt werden. Auch die notwendige Genauigkeit hängt von der Messaufgabe ab. Eine reine Grenzwertüberwachung stellt andere Anforderungen als eine präzise Regelung.

Schnelle Reaktionszeit
Bei bestimmten Anwendungen ist eine schnelle Reaktion wichtig. Steigt beispielsweise die Kühlmitteltemperatur eines Motors oder der Leistungselektronik schnell an, sollte die Steuerung diese Veränderung möglichst früh erkennen.

Langzeitstabilität
Energieversorgungssysteme eines Rechenzentrums sind auf lange Betriebszeiten ausgelegt. Auch ein Notstromaggregat muss über viele Jahre hinweg zuverlässig einsatzbereit bleiben. Sensoren sollten deshalb über ihre Lebensdauer stabile Messwerte liefern. Dies ist besonders wichtig, wenn Messdaten zusätzlich für langfristige Zustandsanalysen verwendet werden.

Messwerte können nicht nur für die unmittelbare Steuerung genutzt werden. Werden Druck- und Temperaturwerte kontinuierlich gespeichert, lassen sich Veränderungen über längere Zeiträume beobachten.

Beispiele sind:

• langsam sinkender Öldruck
• steigende Kühlmitteltemperaturen
• zunehmende Druckverluste
• veränderte Temperaturverläufe
• ungewöhnliche Druckschwankungen

Solche Veränderungen können Hinweise auf Verschleiß oder Wartungsbedarf liefern. Dadurch lässt sich ein Teil der Wartung stärker am tatsächlichen Zustand der Anlage orientieren.

Rechenzentren verwenden häufig redundante Systeme. Das bedeutet, dass wichtige Komponenten mehrfach vorhanden sind. Fällt beispielsweise eine Stromversorgungseinheit aus, kann eine zweite Einheit übernehmen. Dieses Prinzip kann auf unterschiedliche Ebenen angewendet werden:

• mehrere Netzanschlüsse
• mehrere Transformatoren
• redundante USV-Systeme
• mehrere Strompfade
• mehrere Notstromgeneratoren
• redundante Kühlung

Sensoren helfen dabei, den Zustand der einzelnen Systeme zu überwachen. Dadurch lässt sich nicht nur erkennen, ob ein System vollständig ausgefallen ist, sondern auch, ob sich sein Betriebszustand langsam verändert.