Strom Lebensnerv der Data Center Zuerich 2012/1.1 GE J... · 2018-10-29 · GE Digital Energy...

GE Digital Energy

Powerbuilding 2012

Jürg P. Schwerzmann

Business Coaching

Strom –

Lebensnerv der Data Center

Die Präsentation stellt ausschliesslich die persönlichen Ansichten des Referenten dar.

GE job title/2 2 Jürg P. Schwerzmann - 2012

2

2010

Versorgungsprobleme

Deutsche Stromnetze nah am Kollaps

2012

Alarmstufe gelb – Stromnetz überlastet

Deutschland entgeht Blackout – knapp

Die Schlagzeilen werden schärfer


Alles im Griff?

«Unter anderem kam es zu einer Schnellabschaltung von mehreren

tausend Megawatt konventioneller Kraftwerksleistung.

Zudem wurden in den ostdeutschen Bundesländern Windparks in einer bis

dahin nie dagewesenen Größenordnung von 2200 Megawatt vom Netz

getrennt. Das allein entspricht der Leistung von drei Großkraftwerken».

Die Welt-online 1. 4. 2012

Stromnetz geht plötzlich auf Alarmstufe "gelb" Vergangene Woche kam es zu einem brenzligen Vorfall im Stromnetz.

Die Ampel des "Real-time Awareness und Alarm Systems" der Netzbetreiber

schaltete auf "gelb". Nur Notmaßnahmen retteten den Betrieb.


Gefahr für die Energiewende

Fast 2000 Kilometer sind geplant, nur rund 200 wurden schon gebaut.

Der Ausbau des deutschen Stromnetzes kommt äußerst schleppend voran.

Bundesnetzagenturchef Homann sorgt sich um die Energiewende und

warnt vor möglichen Stromausfällen.

Spiegel on-line 04.05.2012

Außerdem sei es wichtig, die Versorgung von systemrelevanten

Gaskraftwerken zu sichern. Im vergangenen Winter waren ausgerechnet

in der kritischsten Versorgungsphase mehrere solcher Kraftwerke

wegen Gasmangel vom Netz genommen worden.


Ein Blick auf das Datennetz

Bild. Ericsson


Was kollabiert zuerst?

Pictures: fotosearch.de

Stromnetz oder Datennetz?


Als das noch Zukunft war


Schon vorbei?

Quelle: Gerry Hofstetter


Wundermittel „Erneuerbare“?

«Verteilnetze mit

>15% «unplanbarer»

Energie werden instabil»

“Wind power plays havoc with

the system, we need storage

for wind to proliferate”

(PSEG @ EPRI)


Damit muss ein Netzbetreiber leben


> 3‟000 MW

Donnerstag Dienstag

Erneuerbar - und unplanbar!

Windparkbetreiber

erhalten eine

Vergütung, wenn

sie ihre Anlagen

Abstellen!

/corporate/


Regelenergie - der etwas andere «Stabilitätspakt»

1‟500 MW


…. und die hohe Förderung die Verbraucher immer mehr belastet, was zum Akzeptanzproblem für die grüne Energiewende werden könnte

…. an der Strombörse in Leipzig werden oft nur Ramschpreise erzielt, da die schwankende Wind- und Sonnenstromproduktion kaum planbar ist.

Quelle: FOCUS online

Erfolgreich und nachhaltig?

Deutschland hat in Europa am meisten Solarpanels installiert

- wegen der Sonne?

Geschätzte Kosten für den Steuerzahler bis 2020:

€100 Milliarden


Systembetrachtungen

Windenergie und Photovoltaik sind stochastische Energie

= mehr Regelenergie, mehr Ausgleichsenergie

Mehr Produktionsanlagen (Wind, PV, etc.) an verbrauchsarmen Standorten = mehr Übertragungsnetze

Wie ein System mit vielen stochastischen Energien im Detail aussehen soll, weiss man nicht = herantasten


Die Klimaveränderung ist eine Realität

° C

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

19

00

19

10

19

20

19

30

19

40

19

50

19

60

19

70

19

80

19

90

20

00

Jahre über dem Durchschnitt (1900-2007)

Jahre unter dem Durchschnitt (1900-2007)

20-jähriges gewichtetes Mittel (Gauss Tiefpassfilter)

Abweichung der Jahresmitteltemperatur in der Schweiz von 1900 bis heute


Für wird China erwartet, dass

dort bis 2030 solche Mengen von

CO2-Emissionen ausgestoßen

werden wie in den Vereinigten

Staaten und Europa zusammen.

Wir sind nicht alleine


17

Energieverbrauch CH

Jahresverbrauch umgerechnet in einen Tankwagenzug

2008

2011

… und jetzt soll alles ganz anders werden?


15. April 2012

Daneben will Leuthard

die Fördermittel für

erneuerbare Energien

von heute rund

200 Millionen Franken

jährlich auf über

800 Millionen Franken

aufstocken

Stabile langfristige Energiepolitik?


Das Problem ist, dass ihr glaubt, genug Zeit zu haben Jack Kornfield

Bild FOCUS Online

Kein Thema mehr!?


CO2-Abscheidung

• Zentral für Kohlekraftwerke und

Gaskombikraftwerke

• Erste industrielle Pilotanlagen im Bau

• Durchbruch grossindustriell nicht vor

2020

• Wirkungsgrad der Kohlekraftwerke

sinkt um ≈ 10%-Punkte

• Die zentrale Frage: Lagerung des CO2


Quelle: S. Signorelli und T. Kohl, GEOWATT AG

Quelle: ETH Zürich

Konflikt: Abfalllager oder Energiequelle

Geeignete Gebiete für

CO2-Lagerung

Geeignete Gebiete für

Geothermie


Wir kriegen die Kurve - ab 2015 - sagt der BR


Kommt es zur «Anbauschlacht» für Energie?

10 Terawattstunden an elektrischer Energie

sollen in Zukunft jährlich in der Schweiz durch

Photovoltaik bereitgestellt werden

typo3temp/GB/093a3b2091.jpg


Ideen sind da – und der Wille zur Investition?

• Hochspannungsgleichstromnetz über dem Höchstspannungsnetz

• Braucht politischen Willen der Regionen EU+

• Versorgt 1.1 Mia. Einwohner

• Ziel: 15% Stromversorgung EU bis 2050

• Kosten 400 Mia. €

Quelle: DESERTEC


25

Die neuen Allianzen

• Russische Föderation

• China

• Indien

• Kasachstan

• Kyrgistan

• Tajikistan

• Usbekistan

• Mongolei

• Pakistan

• Afghanistan

• Iran OCS Organization for

Cooperation of

Shanghai

Weltvorräte unter Kontrolle

• 20% Erdöl

• 47% Erdgas

• 40% Kohle

• 50% Uran

• 45% der Weltbevölkerung

http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Logo_SCO.jpg


Die Stromlücke – gibt‟s die noch?

Jahr 2005 2050

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Deutschland Jahresbilanz

0

100

200

300

400

500

600

Jahr 2005 2050

Italien Jahresbilanz

0

20

40

60

80

100

120 -

Jahr 2005 2050

Österreich Jahresbilanz

neue erneuerbare

Energien

Kern

Wasser

Fossil

Bedarf hoch

Bedarf mittel

Bedarf tief TWh

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Frankreich Jahresbilanz

Jahr 2005 2050

Stromproduktionskapazitäten in TWh ohne Neubauten


«Merkel schmeißt Röttgen aus dem Kabinett»

21%

20%

25%

1%

14%

5%

8%

5% 1% 2%

20%

27%

1%

23%

6%

13%

7% 1%

Kernkraft Steinkohle Braunkohle

Öl Erdgas Wasserkraft

Wind Sonstige Erneuerbare Andere

Deutschland 2010 Deutschland 2020

Wenn Deutschland bis 2023 aus der Kernenergie aussteigt,

erhöht sich der Anteil der fossilen Kraftwerke von 59% auf 70%!

Quelle: Eurelectric,

2008

16.5.12


Das klassische Kernenergieland

Der EPR 1600 soll weiter gebaut werden

Frankreich 2010 Frankreich 2020

72%

5%

1%

6%

13%

1% 1%

1%

70%

3%

8%

12%

4% 2% 1%

Kernkraft Steinkohle Braunkohle Öl Erdgas Wasserkraft Wind Sonstige Erneuerbare Andere


2008

François Hollande


Kein Land hat heute noch so viele «CO2-Kraftwerke» wie Italien.

Italien 2010 Italien 2020

15%

6%

52%

17%

2%

6% 2% 15%

4%

54%

15%

3%

8% 1%


2008

Kernkraft Steinkohle Braunkohle

Öl Erdgas Wasserkraft

Wind Sonstige Erneuerbare Andere

Das klassische Stromimportland


(vermutliches/mögliches) Szenario 2020

• «Rolling Blackouts» sind in Europa eine regelmässige Erscheinung

• Die Versorger schieben die Probleme «nach den Zähler»

• Die Bandbreite für Energiekontrakte ist sehr eng

• Die Kosten für Spitzenstrom haben sich vervielfacht

• Subventionen versiegen – Windkraft- und Solarruinen verschandeln die Landschaft

• Kongruenz erneuerbare Energien ist zwingend: - Zeit der Produktion kompatibel mit Zeit der Nutzung

EDF bittet Schweizer Partner zur Kasse Finanz & Wirtschaft, 2. 2. 2011


Quelle: EU SmartGrids

„Energy storage key to manage grids“ MIT / b-TEC, Barcelona 2006

Smart Grid und Smart Metering

Die Hoffnungsträger


Woran gearbeitet wird

Utility Power

Deregulation, Shortage,

Limited Infrastructure

=

Unreliable & Cost up

„„Digital World„„

Depending on availability and

reliability of electrical energy

UPS is

the hub

in power

quality

99.9% 99.99999%Bridge the Gap

(8 hours/yr downtime) (1 second/yr downtime)

Utility Power



=





UPS is

the hub

in power

quality



„Unpredictable“

Renewable Energy

Grid balancing

reserves

Challenge

Grid Balance

Peak Load

„Classic“

UPS & Battery

Application

Black

Box

“Power

Quality

System”

„Adaptive“

PQS

Local

Energy

Storage

System


BleibatterieNatrium-Nickelchlorid

(Zebra-Batterie)

Nickel-Metall-Hybrid

(NiMH)

Nickel-Cadmium

(NiCd)Lithium-Ionen

Kurzzeitspeicher/

EnergiespeicherKurzzeitspeicher Kurzzeitspeicher Kurzzeitspeicher

Kurzzeitspeicher/

Energiespeicher

kleine Anlagen im kW -

Bereich

bis hin zu 17MW in Berlin

1 kW - 2 MW 1 kW - 2 MW 1 kW - 2 MW 1 kW - 10 MW

100 - 200 €/ kWh

(250 - 460 €/ kW)500 €/kWh 400 - 500 €/ kWh 400 -500 €/ kWh 800 €/ kWh

Quelle: M+W GROUP

Mission critical – Spitzenlastenergie


Pumpspeicher-

kraftwerk

Druckluftspeicher-

kraftwerk

Energiespeicher Energiespeicher

20 MW - 2 GW 10 - 100 MW

Bereitstellung von

Regellesitung

Ausgleich von Tages-

und Spitzenlasten

Bereitstellung von

Regellesitung

Ausgleich von Tages- und

Spitzenlasten

Narium-Schwefel

(NaS)

Vanadium Redox-Flow

(VRB)

Energiespeicher Energiespeicher

1 MW - 50 MW 1MW - 100 MW (skalierbar)

Fluktuation

Erneuerbare Energien

Fluktuation

Erneuerbare Energien

ca. 600 €/ kWh

(Info NGK)

ca. 600 €/ kWh (bei 6h

Energiespeicher -->

Prudent Energy)

600 - 3.000 €/kW

(10 - 40 €/kWh)

600 - 1.000 €/kW

(300 €/kWh)

Quelle: M+W GROUP

Mission critical – Regelenergie


Energiespeicher im Überblick

Quelle: EPRI

$150 / kWh

Lead Acid

Li Ion Cell

$270 / kWh

Nickel-Cadmium

$400 / kWh

Nickel-Zinc

$250 / kWh

Silver-Zinc

$550 / kWh Li Ion battery

$850-5000 / kWh

$600 / kWh

Nickel Metal Hydride

$700 / kWh

(Zebra Battery System)

Supercaps ($2000 / kWh)

Sodium-Nickel Chloride


• Hohe Leistungsdichte (kW/kWh/L/kg)

• Einfache Installation, minimale Umwelteinflüsse

• Modularität / Applikations-Flexibilität: KW - MW

• Systemkosten pro KWh “verfügbar”: < 100 €

• Kurze Ladezeit < 30 Minuten

• Flexible Entladungszeiten > 8 Std

• Hohe Zyklen Fähigkeit > 10’000 Zyklen

• Hohe Lebenserwartung > 10 Jahre

Der ideale Energiespeicher

“EPRI claimed that energy storage was one of top three

interests conveyed to them by the utilities, the others were

CO2 capture and asset utilization” EPRI Workshop 2006


Lead-Acid Nickel-

Cadmium Nickel-

MH Cobalt

Graphite LFP

Graphite Nano

Green™

Cycle Life 400 500 500 >500 1,200 15,000+

Battery Life (Yrs) 1 2 2 2 3 15+

Safety Good Good Good Poor Good High

Environmental Poor Fail Fair Good Good High

Low Temp Charge Poor Poor Poor Fail Fail High

High Temp Charge Poor Poor Poor Average Average High

Charge Time 8 Hrs 1.5 Hrs 4 Hrs 2-4 Hrs .5-1 Hrs <10 Min

Energy Density (Wh/L) 70 120 250 290 250 145

Auf dem Weg zur Lösung?

Quelle:

*

*»wir haben bereits 24’000 Zyklen erreicht» James W. Trudeau, CEO inanovation


Kommt die LiPEC?

14. September 1960

Lithium produzierende Länder In % Weltproduktion

Chile 41

Argentinien 24,4

China 12,7

USA 12,2

Total 90,3

Zwischen Ländern gibt es keine Freundschaft,

aber gelegentlich gemeinsame Interessen Tito Tettamanti, Financier

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/3/3f/OPEC_Logo.svg


Was wir heute haben

Utility Power



=





UPS is

the hub

in power

quality



Utility Power



=





UPS is

the hub

in power

quality



„Unpredictable“

Renewable Energy

Grid balancing

reserves

Challenge

Grid Balance

Peak Load

„Classic“

UPS & Battery

Application

Black

Box

“Power

Quality

System”

„Adaptive“

PQS

Local

Energy

Storage

System


Leistungskriterien einer USV

“Sauberer” Eingang

GenSet-

freundlich

Qualität der Ausgangsleistung

Wirkungsgrad


Applikation “Imaging” GE SG-Series kann auf 1/2 bis 1/3

einer USV mit PWM dimensioniert werden. stiff

sluggish

Qualität der Ausgangsleistung

*Six Sigma Projekt GE Healthcare (CT): Reduktion von 70% Ersatzteile 75% Zeitaufwand, ROI 1,6 Jahre

Multi-Betriebsart-USV mit hochentwickelten Regelungsalgorithmen


USV Wirkungsgrad – jeder kocht mit Wasser!

Verluste infolge AC/DC DC/AC Umwandlung (Halbleiter, Trafos, Drosseln, etc.) ~ / = = / ~

~ / ~

GR

WR

Batterie

Bypass

Last

GR (AC-DC) Verluste 1.7% - 3.0%

WR (DC-AC) Verluste 2.0% - 3.5%

Lüftung, Regelung etc. 0.7 %- 1.0%

TOTAL Verluste: 4.4% - 7.5%

Einfluss des USV Wirkungsgrades

Betriebskosten (Energie/Kühlkosten)

Installationskosten (Kühlsysteme)

Beispiel (Energiekosten): 1 MVA Last +1% Wirkungsgrad Erhöhung heisst:

13’000 CHF / Jahr (CH: 1kWh=0.15CHF)


Möglichkeiten zur Wirkungsgrad Optimierung

-Reduzierung der Verluste durch verbesserte Technologie AC/DC DC/AC Umwandlung (Halbleiter, Tafos, Drosseln etc.)

-Änderung der Betriebsart auf Hocheffizienzbetrieb, durch Umgehung von GR und WR

Last ~ / = = / ~

~ / ~

GR WR

Batterie

Bypass

• Lastversorgung via Statischen Bypass

• Extrem schnellen Umschaltung von

Bypass auf Doppelwandlerbetrieb innert

(typisch) 2ms

Beispiel: GE eBoost

Multi-Betriebsart-USV mit neuen Regelungsalgorithmen


Kreative Verbesserung des Wirkungsgrades

Gleichrichter Wechselrichter

automatischer

Bypass

Batterie

PE

UPS

+

_ L1-L2-L3

N N

3-poliger

Schalter

PE

x x x

Verteilerschrank

Mittels «adaptiver» Software kann der

Energieverbrauch während der

Messung ggf. gesteuert werden

Klare Definition wie der

Wirkungsgrad gemessen wird:

Batterie muss getrennt sein!


European Code of Conduct (CoC)

CODE of CONDUCT on Energy Efficiency and Quality of

AC Uninterruptible Power Systems (UPS)

Draft for

2011-

2012


GE Hocheffizienz Betriebsart: eBoostTM

• Erweitert ein Doppelwandler USV System in ein multi-Betriebsart-USV System.

• Garantiert ultraschnelle Umschaltzeiten zwischen WR und Bypass, typisch 2ms

• Verfügt über einen Bypass-Eingangsfilter

Output ~ / = = / ~

~ / ~

Rectifier Inverter

Battery

Bypass

Bis zu 99% Wirkungsgrad im eBoost Betrieb

Ausgangspannung

WR Strom


+/-50VSpannungstoleranznce

Fehler erkannt

Umschaltung auf WR eingeleitet

nach typisch 500 Mikrosendunden

eBoost™ Fehler Erkennung

Konstante Überwachung der Sinuswelle am Ausgang

Umschaltung auf WR infolge:

Unter/Überspannung RMS

Frequenz ausserhalb der Toleranz

Verzerrung der Wellenform (Fehler Erkennung)

Umschaltung auf Bypass Betrieb sobald die Bypass Spannung wieder innerhalb der Toleranzen liegt


eBoost ™ vs ITI/CBEMA Kurve

ITI/CBEMA Grenzen eBoost Grenzen USV Doppelwandler Grenzen

• ITI CBEMA Kurve – Definiert

Spannungs Störfestigkeit von IT

Geräten in Bezug auf

Spannungstoleranz vs. Zeit

• Verbotene Zone– Vorfälle in dieser

Ueberspannungszone können

Schäden an IT Geräten verursachen

• Schadenfreie Zone – Vorfälle in

dieser Unterspannungszone können

IT Geräte abschalten jedoch ohne

Schadenfolge

• Ride Through – Spannungslos

(keine Versorgung) bis zu 20 ms ist

erlaubt gem. ITI CBEMA) Kurve Zeit

Sp

an

nu

ng

Verbotene Zone

Unterbruchsfreie

Funktionszone

Schadenfreie Zone


Voraussetzungen für den USV Hocheffizienzbetrieb

Es bleibt ein Kompromiss zwischen

Qualität, Sicherheit und Wirkungsgrad

• Einsatz unter sachdienlichen Konditionen

(genügende Qualität der Netzversorgung, keine Risikofaktoren, etc.)

• Verstehen, welche Spannungsqualität bei Hocheffizienzbetrieb

eingehalten wird

• Kennen der dynamischen Spannungstoleranzen /Eigenschaften der

angeschlossenen Verbraucher ( z.B. IT Anlagen: ITI/CBEMA Kurve)

• Wissen, wie sich die USV beim Einsatz im Hocheffizienzbetrieb verhält (verhindern von Batterieentladungen, verhindern von exzessivem Hin und

Herschalten von Schützen/Schaltern, etc.)


Redundanz bedeutet, das ein Teilelement ausfallen kann,

das System aber immer noch funktionsfähig ist

Die Herausforderung: Grün und Sicher

Mission critical:

Redundanz ist ein Muss!


20 kVA Red.

40 kVA Leistung 100 kVA Red.

120 kVA Leistung

Modulare USV – wie viel macht Sinn?

220 kVA Red.

240 kVA Leistung

Die kleinstmögliche Anzahl redundanter Komponenten ergibt die höchste Verfügbarkeit!

Verfügbarkeit (80 kVA redundant N+1) 2x 80 kVA > 5x 20 kVA


Was wir in Zukunft einsetzen werden

Utility Power



=





UPS is

the hub

in power

quality



Utility Power



=





UPS is

the hub

in power

quality



„Unpredictable“

Renewable Energy

Grid balancing

reserves

Challenge

Grid Balance

Peak Load

„Classic“

UPS & Battery

Application

Black

Box

“Power

Quality

System”

„Adaptive“

PQS

Local

Energy

Storage

System


GR WR

Ziel 2

ESS

€/kWh

t

Blick in die Zukunft: Multifunktionales PQS

Ziel 1:

Klassischer USV-Nutzen (Qualität und Verfügbarkeit)

Ziel 2:

Verhinderung/Reduktion von Spitzenlast (Netzbelastung & Kosten)

Ziel 3:

Netzunterstützung - Integration in SMART GRID

PQS €/kWh-in €/kWh-out

€/kWh-out = [€/kWh-in-L/RTeff] + [ESS price/(deliverable energy·cycles)]

Ziel 3

Niedertarif

Hochtarif Smart Grid

NETZ

Ziel 1

LAST


Schlussfolgerungen

• Regulierungswut wird weiter zunehmen

• Der Kampf um Energierohstoffe wird härter

• Die (gegenseitige) Abhängigkeit wird höher

• Die Politik laviert zwischen «Wählerstimmen» und «Logik»

Das heisst:

• Die Projektplanung muss komplexere Szenarien berücksichtigen

• Unabhängigkeit und Flexibilität ist ebenso wichtig wie Verfügbarkeit

• Der Lieferant / Partner muss über umfassende Kompetenzen,

Produkte, Dienstleistungen und Strukturen verfügen.

• Der Planungshorizont soll dem Projekt angepasst sein


… und noch zu berücksichtigen

Der IT-Leiter ist hauptverantwortlich:

Systemverfügbarkeit

Störungsfreier Betrieb

Verpflichtet, die Geschäftsleitung auf

Sicherheitsrisiken hinzuweisen

Bei Unterlassung der Hinweispflicht kann der IT-Leiter für den

daraus entstandenen Schaden haftbar gemacht werden.

(BGB § 611; KonTrag)


56

Transport und Verteilung der

Ressourcen sind das größte Problem.

Es geht uns alle an

Weltenergiekongress in Rom

Besten Dank!


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