Superkondensatoren erweisen sich dank ihrer Fähigkeit, in kürzester Zeit große Energiemengen zu liefern und aufzunehmen, als eine der vielversprechendsten Technologien zur Lösung dieses Problems. Laut Prognosen von IDTechEx könnte der Markt für Superkondensatoren in Rechenzentren bis 2037 ein Volumen von über 950 Millionen US-Dollar erreichen.
Die Unternehmensberatung analysiert diese Entwicklung in ihrem Bericht „Superkondensatoren für Rechenzentren 2027-2037: Technologien, Anwendungen, Akteure und Prognosen“. Darin untersucht sie sowohl die verfügbaren Technologien als auch einen der grundlegenden Aspekte für deren Einführung: an welcher Stelle in der elektrischen Infrastruktur des Rechenzentrums die Installation dieser Geräte am sinnvollsten ist.
KI führt zu einem neuen Stromverbrauchsprofil
KI-Rechenzentren weisen ein anderes Lastprofil auf als herkömmliche Rechenzentren. Große Beschleunigercluster können kurzzeitige Lastspitzen und sehr schnelle Leistungsschwankungen erzeugen, wenn bestimmte Rechenoperationen beginnen oder enden.
Die extremsten Spannungsspitzen können kurzzeitige Spannungseinbrüche verursachen, die, wenn sie nicht ordnungsgemäß bewältigt werden, den Betrieb von Servern und anderen Geräten beeinträchtigen und Störungen auf die elektrische Infrastruktur übertragen können.
Diese Situation erfordert eine Anpassung sowohl der Stromverteilung als auch der Notstromsysteme. Die zur Kompensation dieser Schwankungen eingesetzten Speicher müssen in kürzester Zeit – im Millisekundenbereich – reagieren und eine hohe Anzahl von Lade- und Entladezyklen aushalten.
Wichtig sind außerdem eine hohe Leistungsdichte, um den Platzbedarf bei der Verarbeitung großer Lasten zu begrenzen, und die Möglichkeit, die Lösung in bestehende elektrische Architekturen zu integrieren.
Diese Eigenschaften erklären das wachsende Interesse an Superkondensatoren. Im Gegensatz zu Energiespeichersystemen, die primär für die Bereitstellung von Energie über längere Zeiträume ausgelegt sind, zeichnen sich Superkondensatoren durch ihre Fähigkeit aus, sehr schnell Energie abzugeben oder aufzunehmen und eine hohe Anzahl von Ladezyklen zu überstehen.
Wo sollen Superkondensatoren installiert werden?
Die konkrete Architektur variiert zwischen den Rechenzentren, aber es gibt mehrere Ebenen, auf denen diese Speichersysteme integriert werden können.
Server, Switches, Router und Speichersysteme sind typischerweise in Racks gruppiert, die über eigene Notstromaggregate (BBUs) verfügen können. Mehrere Racks bilden Rechengassen, die von Stromverteilungseinheiten (PDUs) mit Strom versorgt werden.
Auf einer höheren Ebene befindet sich die zentrale elektrische Infrastruktur des Gebäudes. Sie ist für die Stromverteilung aus dem Netz zuständig und beherbergt die unterbrechungsfreien Stromversorgungsanlagen (USV). Diese Anlagen gewährleisten die Stromversorgung bei Stromausfällen und überbrücken unter anderem die Zeit, bis die Notstromaggregate ans Netz gehen.
Laut einer Analyse von IDTechEx lassen sich Superkondensatoren auf drei Hauptebenen installieren: im Rack selbst, im Gang oder neben zentralen USV-Systemen. Jede Option bietet unterschiedliche Vorteile hinsichtlich Schutz, Dichte, Kosten und Installationsaufwand.
Superkondensatoren im Inneren des Gestells
Die Rack-Integration, beispielsweise als Teil der BBU, könnte sich besonders für neu gebaute KI-Rechenzentren eignen.
Die räumliche Nähe zwischen Speichersystem und Last ermöglicht eine direkte Stabilisierung der Stromversorgung von Niederspannungsgeräten und eine lokale Reaktion auf Schwankungen im Verbrauch von Servern und Beschleunigern.
Diese Architektur ermöglicht es zudem, Superkondensatoren nur dort einzusetzen, wo sie benötigt werden. In Installationen, in denen nur bestimmte Racks für KI-Training oder -Inferenz verwendet werden, kann die Hochleistungsspeicherkapazität auf diese Bereiche konzentriert werden, anstatt sie für die gesamte Anlage zu dimensionieren.
Der Nachteil besteht darin, dass der Einbau weiterer Stromversorgungskomponenten im Rack den für Computergeräte verfügbaren Platz verringert und die Komplexität der Infrastruktur erhöhen kann.
USV-Installation in Fluren und Räumen
Gang-Level-Konfigurationen bieten Vorteile bei der Modernisierung bestehender Rechenzentren. Da sie nicht unbedingt Änderungen an jedem einzelnen Rack erfordern, erleichtern sie die Nachrüstung und ermöglichen eine höhere Dichte an Servern und Beschleunigern.
Aus diesem Grund geht IDTechEx davon aus, dass USV-Installationen auf Gang- und Raumebene in naher Zukunft eine größere Rolle spielen werden, insbesondere in Colocation-Rechenzentren.
Die Installation neben der USV-Anlage bietet einen weiteren Vorteil: Sie ermöglicht den Schutz von Lasten, die außerhalb des Geltungsbereichs eines ausschließlich in den Racks installierten Systems liegen.
Dazu gehören die Hochspannungsinfrastruktur und bestimmte Hilfssysteme, wie zum Beispiel die Kühlung, deren Kontinuität für den Gesamtbetrieb eines hochdichten Rechenzentrums von entscheidender Bedeutung ist.
IDTechEx geht davon aus, dass bis 2037 Rack-Level- und USV-Raumkonfigurationen die beiden vorherrschenden Standorte für Superkondensatoren in Rechenzentren sein könnten.
Zusatzbatterien für eine Reaktionszeit von Millisekunden
Die Einführung von Superkondensatoren bedeutet nicht zwangsläufig den Ersatz der derzeit in unterbrechungsfreien Stromversorgungssystemen verwendeten Batterien. Beide Technologien decken unterschiedliche Bedürfnisse innerhalb der Energieinfrastruktur ab.
Während Batterien sich gut eignen, um größere Energiemengen zu speichern und über längere Zeiträume autonom zu sein, können Superkondensatoren bei extrem schnellen Leistungsschwankungen eingreifen und diese Lade- und Entladezyklen mit hoher Frequenz wiederholen.
Diese Kombination gewinnt insbesondere mit zunehmender Leistung von Racks für künstliche Intelligenz an Bedeutung. Die Energieinfrastruktur muss nicht mehr nur auf potenzielle Stromausfälle reagieren, sondern auch plötzliche Bedarfsänderungen im laufenden Rechenzentrumsbetrieb bewältigen.
Der optimale Standort hängt letztendlich von Faktoren wie der Gestaltung der Anlage, dem Anteil der für KI vorgesehenen Lasten, der Möglichkeit der Modifizierung der Racks und der Notwendigkeit, andere elektrische und Kühlsysteme zu schützen, ab.
Mit einem Marktvolumen von über 950 Millionen US-Dollar bis 2037, das IDTechEx prognostiziert, könnten Superkondensatoren zu einem neuen Element der Energiearchitektur von Rechenzentren werden, insbesondere in Einrichtungen, in denen KI-Lasten die Bewältigung immer schnellerer und größerer Leistungsschwankungen erfordern.
Autor: Daniel Parr, Technologieanalyst, IDTechEx
