Die elektrische Energieversorgung ist eine der wichtigsten technischen Grundlagen eines modernen Rechenzentrums. Server, Speichersysteme, Netzwerkkomponenten und Kühleinrichtungen müssen zuverlässig mit elektrischer Energie versorgt werden. Gleichzeitig steigen die Leistungsanforderungen durch Cloud Computing, Hochleistungsrechnen und künstliche Intelligenz kontinuierlich.
Transformatoren für Rechenzentren übernehmen dabei eine zentrale Funktion. Sie bilden die Schnittstelle zwischen der Mittelspannung und der nachgeschalteten Niederspannungsversorgung. Ihre Auswahl beeinflusst nicht nur die verfügbare Leistung, sondern auch Betriebssicherheit, Energieeffizienz, Platzbedarf, Wartbarkeit und Redundanz.
Ein passender Transformator muss deshalb sorgfältig auf das gesamte Versorgungskonzept abgestimmt werden. Entscheidend sind unter anderem die Netzspannung, die benötigte Leistung, das Lastprofil, die Transformatorbauart, die Kühlung, die Kurzschlussbedingungen, der Aufstellungsort und die geplante Redundanz.
Warum die richtige Transformatorauswahl wichtig ist
Ein Rechenzentrum arbeitet häufig rund um die Uhr. Die elektrische Infrastruktur muss deshalb nicht nur kurzfristig hohe Leistungen bereitstellen, sondern auch für einen dauerhaften Betrieb ausgelegt sein.
Ein falsch dimensionierter Transformator kann verschiedene Probleme verursachen. Eine zu geringe Leistung kann zu einer hohen Auslastung führen und zukünftige Erweiterungen erschweren. Eine übermäßige Dimensionierung kann dagegen unnötige Investitionskosten verursachen und unter bestimmten Betriebsbedingungen zu ungünstigen Verlusten führen.
Die Transformatorauswahl sollte daher immer auf einer detaillierten technischen Analyse basieren.
Schritt 1: Den gesamten Leistungsbedarf ermitteln
Der erste Schritt besteht darin, den elektrischen Gesamtbedarf des Rechenzentrums zu bestimmen.
Dabei müssen nicht nur die IT Systeme betrachtet werden. Neben Servern und Speichersystemen benötigen auch Kühlsysteme und die technische Gebäudeausrüstung elektrische Energie.
Zur Gesamtlast können beispielsweise gehören:
Server
Speichersysteme
Netzwerkkomponenten
KI Beschleuniger
Kühlsysteme
Klimaanlagen
Pumpen
Lüftungsanlagen
USV Systeme
Beleuchtung
Sicherheitstechnik
Gebäudeautomation
Weitere technische Verbraucher
Erst die Betrachtung aller relevanten Verbraucher ermöglicht eine realistische Dimensionierung der Transformatoren.
Schritt 2: Zukünftige Erweiterungen berücksichtigen
Ein Rechenzentrum wird häufig über viele Jahre betrieben und schrittweise erweitert.
Neue Servergenerationen können einen höheren Energiebedarf besitzen. Auch KI Anwendungen und Hochleistungsrechnen können die Leistungsdichte erheblich erhöhen.
Deshalb sollte die Planung nicht ausschließlich auf dem heutigen Verbrauch basieren.
Mögliche zukünftige Lasten sollten bereits bei der Transformatorauswahl berücksichtigt werden. Je nach Projekt können Leistungsreserven oder zusätzliche Transformatorstellplätze sinnvoll sein.
Schritt 3: Die Mittelspannung bestimmen
Die Mittelspannung bildet die Eingangsebene des Transformators.
Welche Spannung verwendet wird, hängt vom Netzanschluss und den Bedingungen des jeweiligen Netzbetreibers ab.
In Rechenzentren können beispielsweise 10 kV oder 20 kV vorkommen. Bei größeren Anlagen kann eine entsprechende Mittelspannungsarchitektur mehrere Transformatoren versorgen.
Die Primärseite des Transformators muss auf die vorhandene Mittelspannung abgestimmt werden.
Schritt 4: Die Ausgangsspannung festlegen
Auf der Sekundärseite stellt der Transformator die Spannung für die nachgeschaltete elektrische Infrastruktur bereit.
Die Ausgangsspannung muss zur Niederspannungshauptverteilung und den weiteren Komponenten passen.
Dabei müssen auch Netzsystem, Frequenz und weitere technische Eigenschaften berücksichtigt werden.
Eine fehlerhafte Abstimmung zwischen Transformator und nachgeschalteter Verteilung kann erhebliche technische Probleme verursachen. Bei der Planung können Transformatoren für Rechenzentren passend zu Leistung, Netzspannung und Redundanzanforderungen ausgewählt werden.
Schritt 5: Die richtige Transformatorleistung bestimmen
Die Transformatorleistung wird in der Regel in kVA oder MVA angegeben.
Welche Leistung erforderlich ist, hängt von der Gesamtlast und dem Versorgungskonzept ab.
Ein kleineres Rechenzentrum kann mit einzelnen Transformatoren im Bereich von einigen hundert kVA arbeiten. Größere Anlagen können mehrere MVA Transformatorleistung benötigen.
Bei sehr großen Rechenzentren wird die Gesamtleistung häufig auf mehrere Transformatoren verteilt.
Die Auswahl sollte auf einer Lastberechnung basieren und sowohl Dauerlasten als auch erwartete Spitzen und zukünftige Erweiterungen berücksichtigen.
Schritt 6: Lastprofil analysieren
Nicht jede elektrische Last verhält sich gleich.
Ein Rechenzentrum kann IT Systeme mit relativ konstantem Energiebedarf und gleichzeitig Verbraucher mit variabler Leistung besitzen.
Auch Kühlsysteme können abhängig von Außentemperatur und tatsächlicher IT Last unterschiedliche Leistungsaufnahmen aufweisen.
Deshalb sollte das Lastprofil über verschiedene Betriebszustände betrachtet werden.
Besonders bei KI Rechenzentren können hohe Dauerlasten und dynamische Lastveränderungen relevant sein.
Schritt 7: Transformatorbauart auswählen
Je nach Aufstellungsort und Projektanforderungen können unterschiedliche Transformatorbauarten eingesetzt werden.
Trockentransformatoren können insbesondere bei bestimmten Innenaufstellungen interessant sein.
Gießharztransformatoren gehören zu den verbreiteten Trockentransformatorlösungen.
Ölgekühlte Transformatoren können dagegen bei bestimmten Außenaufstellungen oder anderen Anlagenkonzepten eingesetzt werden.
Die Auswahl sollte anhand der konkreten technischen Anforderungen erfolgen.
Schritt 8: Trockentransformatoren für Innenaufstellungen
Bei einer Innenaufstellung können Trockentransformatoren eine geeignete Lösung darstellen.
Sie benötigen kein flüssiges Transformatorenöl als Isoliermedium.
Dadurch können sie bei bestimmten technischen Raum- und Brandschutzkonzepten Vorteile bieten.
Trotzdem müssen auch bei einem Trockentransformator Wärmeabfuhr, elektrische Sicherheit, Wartungszugang und die übrigen technischen Anforderungen berücksichtigt werden.
Schritt 9: Gießharztransformatoren betrachten
Gießharztransformatoren gehören zu den Trockentransformatoren.
Die Wicklungen sind mit einem festen Isolierstoffsystem ausgeführt.
Bei geeigneten Anwendungen können Gießharztransformatoren für Innenaufstellungen interessant sein.
Insbesondere bei Rechenzentren, bei denen elektrische Anlagen innerhalb des Gebäudes untergebracht werden, kann die Bauart bei der Planung berücksichtigt werden.
Schritt 10: Ölgekühlte Transformatoren bewerten
Ölgekühlte Transformatoren verwenden eine Flüssigkeit zur Isolation und Wärmeabfuhr.
Sie können für bestimmte Leistungsbereiche und Aufstellungskonzepte geeignet sein.
Bei der Planung müssen die spezifischen Anforderungen an den Transformatorraum beziehungsweise die Außenaufstellung, den Brandschutz und die weiteren Schutzmaßnahmen berücksichtigt werden.
Eine pauschale Entscheidung für oder gegen eine bestimmte Bauart ist daher nicht sinnvoll.
Technik eines Rechenzentrumtransformators
Neben der Nennleistung sind zahlreiche weitere technische Parameter relevant.
Dazu gehören unter anderem:
Primärspannung
Sekundärspannung
Nennleistung
Frequenz
Kurzschlussspannung
Schaltgruppe
Verluste
Kühlungsart
Isolationsniveau
Temperaturbedingungen
Geräuschpegel
Aufstellungsart
Diese Werte müssen mit den Anforderungen der übrigen elektrischen Infrastruktur übereinstimmen.
Schritt 11: Kurzschlussspannung berücksichtigen
Die Kurzschlussspannung ist ein wichtiger Parameter bei der Auswahl eines Transformators.
Sie beeinflusst unter anderem die Kurzschlussströme auf der Niederspannungsseite.
Die Transformatorauswahl muss deshalb mit der Kurzschlussfestigkeit der Schaltanlagen und der nachgeschalteten Komponenten abgestimmt werden.
Eine entsprechende Netzberechnung ist ein wichtiger Bestandteil der technischen Planung.
Schritt 12: Schutztechnik abstimmen
Transformatoren müssen in ein geeignetes Schutzkonzept integriert werden.
Auf der Mittelspannungsseite können Schutzgeräte elektrische Fehler erkennen und den betroffenen Bereich abschalten.
Auch auf der Niederspannungsseite müssen geeignete Schutz- und Schaltgeräte vorgesehen werden.
Die Schutzparameter sollten so abgestimmt werden, dass Fehler möglichst gezielt begrenzt werden.
Schritt 13: Kühlung berücksichtigen
Während des Betriebs entstehen im Transformator Verluste, die als Wärme abgeführt werden müssen.
Bei Trockentransformatoren erfolgt die Wärmeabfuhr über die Umgebungsluft beziehungsweise eine entsprechend geplante Belüftung.
Die notwendige Kühlung hängt unter anderem von der Leistung, den Verlusten, der Umgebungstemperatur und der Belastung ab.
Bei einer Innenaufstellung muss die Belüftung des Transformatorraums entsprechend dimensioniert werden.
Schritt 14: Energieeffizienz bewerten
Rechenzentren verbrauchen über ihre gesamte Betriebsdauer große Mengen an elektrischer Energie.
Deshalb sollten auch die Verluste der Transformatoren betrachtet werden.
Ein Transformator verursacht unter anderem Leerlaufverluste und lastabhängige Verluste.
Bei der Auswahl sollte daher eine langfristige Betrachtung erfolgen.
Nicht nur der Anschaffungspreis, sondern auch Energieverluste und Betriebskosten können in die Entscheidung einfließen.
Schritt 15: Redundanzkonzept entwickeln
Die Verfügbarkeit ist bei Rechenzentren besonders wichtig.
Ein mögliches Redundanzkonzept ist N plus 1.
Dabei wird neben der für den normalen Betrieb erforderlichen Kapazität zusätzliche Reserve vorgesehen.
Fällt eine Transformatoreneinheit aus oder muss sie gewartet werden, kann die Reserve unter geeigneten Betriebsbedingungen die Versorgung unterstützen.
Bei besonders hohen Anforderungen können auch zwei vollständig getrennte Versorgungssysteme vorgesehen werden.
Schritt 16: Redundanz ganzheitlich betrachten
Mehrere Transformatoren allein bedeuten nicht automatisch eine vollständig redundante Stromversorgung.
Auch die Mittelspannungsschaltanlage, Kabelwege, Niederspannungshauptverteilungen und weitere Komponenten müssen entsprechend betrachtet werden.
Wenn mehrere Transformatoren beispielsweise von einer einzigen kritischen Schaltanlage abhängig sind, kann diese weiterhin einen gemeinsamen Ausfallpunkt darstellen.
Ein gutes Redundanzkonzept betrachtet daher den gesamten Versorgungspfad.
Schritt 17: USV Systeme integrieren
Die Transformatoren stellen die reguläre Energieversorgung bereit.
Kritische IT Systeme benötigen zusätzlich häufig USV Systeme, um bei bestimmten Störungen der Netzversorgung eine kontinuierliche Energieversorgung zu unterstützen.
Transformator, Niederspannungsverteilung und USV müssen deshalb aufeinander abgestimmt werden.
Die Leistungsfähigkeit der USV Systeme sollte mit der geplanten IT Last übereinstimmen.
Schritt 18: Notstromversorgung planen
Für längere Netzunterbrechungen können zusätzliche Notstromsysteme vorgesehen werden.
Notstromaggregate können beispielsweise die elektrische Versorgung übernehmen, wenn die reguläre Netzversorgung nicht verfügbar ist.
Auch die Kühlsysteme müssen bei der Notstromplanung berücksichtigt werden.
Die gesamte elektrische Architektur sollte so ausgelegt werden, dass kritische Verbraucher entsprechend ihrer Priorität versorgt werden können.
Schritt 19: Brandschutz beachten
Bei der Auswahl und Aufstellung eines Transformators müssen die Brandschutzanforderungen des Rechenzentrums berücksichtigt werden.
Trockentransformatoren können für bestimmte Innenaufstellungen Vorteile bieten, da sie kein flüssiges Transformatorenöl als Isoliermedium benötigen.
Bei ölgekühlten Transformatoren sind die spezifischen Anforderungen an das verwendete Isoliermedium und die Aufstellung zu berücksichtigen.
Der Transformator sollte deshalb immer in das übergeordnete Brandschutzkonzept integriert werden.
Schritt 20: Geräuschentwicklung berücksichtigen
Transformatoren können Betriebsgeräusche erzeugen.
Bei einer Innenaufstellung sollte deshalb geprüft werden, welche Anforderungen an die Geräuschentwicklung bestehen.
Dies kann insbesondere relevant sein, wenn sich der Transformator in der Nähe von Arbeitsbereichen oder anderen sensiblen technischen Bereichen befindet.
Die Transformatorauswahl und Raumplanung können entsprechend aufeinander abgestimmt werden.
Schritt 21: Platzbedarf planen
Der verfügbare Platz ist ein wichtiger Faktor.
Neben der eigentlichen Transformatorfläche müssen Wartungsbereiche, Anschlüsse, Belüftung und Transportwege berücksichtigt werden.
Bei mehreren Transformatoren muss die gesamte Anordnung entsprechend geplant werden.
Auch spätere Austausch- oder Erweiterungsarbeiten sollten bereits in der Raumplanung berücksichtigt werden.
Schritt 22: Kabelwege richtig dimensionieren
Die elektrische Energie muss vom Mittelspannungsnetz zum Transformator und anschließend zu den Niederspannungsverteilungen geführt werden.
Dafür müssen geeignete Kabelquerschnitte und Leitungswege geplant werden.
Bei redundanten Versorgungspfaden sollte eine möglichst unabhängige Führung berücksichtigt werden.
Gemeinsame Kabelwege können bei bestimmten Fehlerereignissen zu einem gemeinsamen Ausfall führen.
Schritt 23: Monitoring einsetzen
Eine kontinuierliche Überwachung kann die Betriebssicherheit unterstützen.
Je nach System können beispielsweise Temperatur, Belastung und weitere Betriebsdaten erfasst werden.
Bei größeren Rechenzentren können die Messdaten in übergeordnete Monitoring- oder Energiemanagementsysteme integriert werden.
Dadurch lassen sich Betriebszustände besser analysieren.
Schritt 24: Wartung berücksichtigen
Auch zuverlässige Transformatoren benötigen Wartung und Kontrolle.
Bei der Planung sollte deshalb berücksichtigt werden, wie einzelne Transformatoren sicher außer Betrieb genommen werden können.
Ein geeignetes Redundanzkonzept kann Wartungsarbeiten erleichtern.
Durch regelmäßige Kontrollen können Veränderungen am Betriebszustand frühzeitig erkannt werden.
Schritt 25: Zukunftssicherheit einplanen
Die Anforderungen an Rechenzentren verändern sich kontinuierlich.
Insbesondere künstliche Intelligenz kann zu steigenden Leistungsdichten führen.
Ein Transformator, der heute ausreichend dimensioniert ist, muss deshalb nicht automatisch auch den zukünftigen Bedarf abdecken.
Eine zukunftsorientierte Planung berücksichtigt mögliche Erweiterungen und steigende Leistungsanforderungen.
Transformatoren für KI-Rechenzentren
KI Rechenzentren benötigen teilweise deutlich höhere elektrische Leistungen als herkömmliche IT Umgebungen.
Leistungsintensive Beschleuniger können hohe Lasten erzeugen.
Gleichzeitig steigt die Wärmeentwicklung, wodurch auch die Anforderungen an die Kühlung wachsen.
Die Transformatorleistung muss deshalb gemeinsam mit der Kühlleistung und der übrigen elektrischen Infrastruktur betrachtet werden.
Mehrere Transformatoren können dabei eine modulare und skalierbare Struktur ermöglichen.
20 kV Transformatoren für Rechenzentren
Wenn ein Rechenzentrum über ein 20-kV-Netz versorgt wird, kann ein entsprechender 20-kV-Transformator die Verbindung zur Niederspannungsebene herstellen.
Die benötigte Leistung kann dabei von einigen hundert kVA bis in den MVA-Bereich reichen.
Bei großen Rechenzentren werden häufig mehrere Transformatoren eingesetzt.
Die konkrete Leistung und Anzahl hängen von der Gesamtlast, der Redundanz und dem Netzanschluss ab.
Vorteile einer richtigen Transformatorauswahl
Eine technisch passende Transformatorauswahl bietet mehrere Vorteile.
Höhere Versorgungssicherheit
Eine geeignete Transformatorarchitektur unterstützt die zuverlässige Versorgung der kritischen IT Infrastruktur.
Bessere Energieeffizienz
Effiziente Transformatoren können dazu beitragen, Energieverluste während des Betriebs zu reduzieren.
Planbare Erweiterungen
Leistungsreserven und modulare Strukturen erleichtern mögliche zukünftige Erweiterungen.
Höhere Wartungsfreundlichkeit
Mehrere Versorgungseinheiten können Wartungsarbeiten erleichtern.
Geeignete Innenaufstellung
Trockentransformatoren können bei bestimmten Innenaufstellungen eine interessante Lösung darstellen.
Flexible Redundanz
Mehrere Transformatoren ermöglichen unterschiedliche Redundanzkonzepte.
Häufige Fehler bei der Transformatorauswahl
Ein häufiger Fehler ist die ausschließliche Betrachtung der aktuellen IT Last.
Dadurch können spätere Erweiterungen erschwert werden.
Auch eine fehlende Betrachtung der Kühllast kann zu einer falschen Dimensionierung führen.
Ein weiterer Fehler ist die isolierte Auswahl des Transformators ohne Abstimmung mit Schaltanlage und Niederspannungsverteilung.
Auch die Redundanz muss über den gesamten Versorgungspfad betrachtet werden.
Checkliste für die Auswahl
Vor der Bestellung eines Transformators sollten unter anderem folgende Punkte geprüft werden:
Aktuelle IT Leistung
Zukünftige IT Leistung
Gesamtleistung des Rechenzentrums
Mittelspannung
Sekundärspannung
Transformatorleistung
Transformatorbauart
Kühlung
Kurzschlussspannung
Schaltgruppe
Verluste
Geräuschpegel
Brandschutz
Aufstellungsort
Redundanz
USV System
Notstromversorgung
Kabelwege
Wartungszugang
Monitoring
Erweiterungsmöglichkeiten
Fazit
Transformatoren für Rechenzentren müssen sorgfältig ausgewählt werden, da sie eine zentrale Schnittstelle innerhalb der elektrischen Energieversorgung darstellen. Die richtige Entscheidung hängt nicht allein von der Nennleistung ab.
Leistungsbedarf, Mittelspannung, Ausgangsspannung, Transformatorbauart, Kühlung, Kurzschlussbedingungen und Energieeffizienz müssen gemeinsam betrachtet werden.
Besonders wichtig ist die Redundanz. Mehrere Transformatoren können dabei helfen, die Versorgung aufzuteilen und zusätzliche Reservekapazitäten bereitzustellen. Für eine wirkungsvolle Redundanz müssen jedoch auch Schaltanlagen, Kabelwege, Niederspannungsverteilungen und weitere kritische Komponenten berücksichtigt werden.
Bei Innenaufstellungen können Trockentransformatoren und Gießharztransformatoren abhängig von den Projektanforderungen interessante Lösungen sein. Ölgekühlte Transformatoren können bei anderen Aufstellungs- und Leistungskonzepten eingesetzt werden.
Auch die Zukunft sollte bei der Auswahl berücksichtigt werden. Der zunehmende Einsatz künstlicher Intelligenz, steigende Leistungsdichten und leistungsfähigere Server können den Energiebedarf moderner Rechenzentren weiter erhöhen.
Eine professionelle Transformatorplanung verbindet deshalb technische Leistungsfähigkeit mit Versorgungssicherheit, Energieeffizienz, Wartungsfreundlichkeit und Erweiterbarkeit. Durch eine ganzheitliche Betrachtung der gesamten Stromversorgung lässt sich eine belastbare Grundlage für den langfristigen Betrieb eines modernen Rechenzentrums schaffen.
