Data Center · USV und Notstrom
USV und Notstrom für Rechenzentren und KI-Server
Ein Spannungseinbruch von wenigen Millisekunden reicht, damit Server neu starten und laufende Rechenjobs verloren gehen. Die Versorgung eines Rechenzentrums ruht deshalb auf drei Bausteinen: Netzanschluss, unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) und Netzersatzanlage. Ein Batteriespeicher kann sie ergänzen. Hier steht, was welcher Baustein leistet.
Drei Bausteine, drei Aufgaben
USV: ohne Unterbrechung
Die USV liegt zwischen Netz und IT. Eine Online-USV (Klasse VFI nach DIN EN IEC 62040-3) versorgt die Last dauerhaft über Gleichrichter und Wechselrichter; fällt das Netz aus, übernimmt ihre Batterie ohne Umschaltzeit. Sie überbrückt Minuten, nicht Stunden.
Netzersatzanlage: für längere Ausfälle
Ein Stromerzeugungsaggregat, meist mit Dieselmotor, startet bei einem Netzausfall und übernimmt nach einigen Sekunden die Versorgung. Die USV überbrückt diese Zeit. Mit Kraftstoffvorrat hält die Netzersatzanlage Stunden bis Tage durch.
Batteriespeicher: Ergänzung
Ein Gewerbespeicher verschiebt Solarstrom, kappt Lastspitzen und kann mit Netzersatzfunktion bei einem Ausfall ein Inselnetz bilden. Dafür braucht er in der Regel einige Sekunden. Vor IT-Lasten ersetzt er deshalb keine USV, er kann aber die Netzersatzanlage ergänzen.
USV-Klassen: VFD, VI und VFI
Die Norm DIN EN IEC 62040-3 ordnet USV-Anlagen nach ihrer Abhängigkeit vom Netz. Für Server und GPU-Systeme kommt in der Praxis nur die Online-USV infrage, weil sie die Last ohne Umschaltung und mit sauberer Spannung versorgt.
| Klasse | Umschaltung | Typischer Einsatz |
|---|---|---|
| VFD (Offline / Standby) | bis etwa 20 ms | Arbeitsplatzrechner, unkritische Lasten |
| VI (Line-Interactive) | etwa 4–10 ms | kleinere Serverschränke, Netzwerktechnik |
| VFI (Online / Doppelwandler) | keine | Server, Rechenzentren, GPU-Systeme |
Einordnung: Die Umschaltzeiten sind übliche Werte aus der Fachliteratur, keine Normwerte. Maßgeblich sind das Datenblatt der USV und die Anforderungen der Server-Netzteile.
Worauf es bei der Auslegung ankommt
- Leistung – die USV muss die volle IT-Last tragen, bei KI-Servern die maximale Systemleistung laut Datenblatt, mit Reserve für den Ausbau.
- Überbrückungszeit – in der Praxis einige Minuten bis zur stabilen Übernahme durch die Netzersatzanlage, ohne Netzersatz so lange, wie ein geordnetes Herunterfahren dauert.
- Redundanz – zwei getrennte Versorgungswege (A/B) bis zum Rack, damit Wartung oder Ausfall einer USV die Server nicht abschaltet. GPU-Server sind dafür mit mehreren Netzteilen ausgestattet.
- Kühlung – die Kühlung muss bei einem Netzausfall weiterlaufen, sonst überhitzen die Server, auch wenn sie Strom haben. Pumpen und Lüfter gehören deshalb mit auf die gesicherte Versorgung.
- Lastsprünge – GPU-Cluster ändern ihre Leistung schnell, etwa wenn Trainingsläufe starten. USV und Netzersatzanlage müssen diese Sprünge verkraften; das gehört in die Auslegung.
- Prüfung – regelmäßige Tests unter Last, Batteriewechsel nach Herstellerangabe und dokumentierte Wartung.
Verfügbarkeitsklassen nach DIN EN 50600
Die Normenreihe DIN EN 50600 beschreibt für Rechenzentren vier Verfügbarkeitsklassen, von einem einfachen Versorgungsweg ohne Redundanz (Klasse 1) bis zu fehlertoleranten, mehrfach getrennten Versorgungswegen (Klasse 4). Für große KI-Installationen empfiehlt NVIDIA Rechenzentren nach Tier 3 bzw. DIN EN 50600 Verfügbarkeitsklasse 3, also mit Wegen, die sich im laufenden Betrieb warten lassen.
Für ein Rechenzentrum im Mittelstand legen wir die Klasse nach dem Bedarf fest: Was kostet eine Stunde Ausfall, welche Anwendungen müssen weiterlaufen, was darf geordnet herunterfahren? Davon hängen USV-Größe, Redundanz und die Frage ab, ob sich eine Netzersatzanlage lohnt.
Kann ein Batteriespeicher die USV ersetzen?
Vor IT-Lasten in der Regel nicht. Ein Gewerbespeicher mit Netzersatzfunktion muss bei einem Ausfall erst das Netz erkennen, sich vom Netz trennen und ein eigenes Inselnetz aufbauen. Nach Herstellerangaben dauert das einige Sekunden, typischerweise etwa 5 bis 20. Server ohne USV wären in dieser Zeit längst ausgefallen.
Sinnvoll ist die Kombination: Die USV versorgt die IT ohne Unterbrechung, der Batteriespeicher übernimmt danach als Netzersatz für eine begrenzte Zeit oder ergänzt ein Aggregat, verschiebt im Alltag Solarstrom und kappt Lastspitzen. Ob und wie lange ein Speicher als Netzersatz trägt, hängt von seiner Kapazität und der Last ab.
Einordnung: Das ist eine Ableitung aus Norm und Herstellerangaben, keine allgemeine Regel. Es gibt Speichersysteme, die für den USV-Betrieb ausgelegt sind; dann gilt deren Datenblatt.
Netzersatzanlage: Anmeldung und Betrieb
Eine Netzersatzanlage wird nach DIN VDE 0100-551 errichtet und mit dem Netzbetreiber abgestimmt. Wichtig ist die Frage, ob das Aggregat parallel zum Netz laufen darf, etwa für Probeläufe unter Last oder die unterbrechungsfreie Rückschaltung. Läuft es länger als kurzzeitig netzparallel, behandeln Netzbetreiber es nach ihren technischen Anschlussbedingungen wie eine Erzeugungsanlage, mit entsprechenden Anforderungen an Schutz und Anmeldung.
Wir planen Netzersatz, USV, Speicher und PV als ein Konzept: mit einem Messkonzept, das alle Quellen sauber trennt, und einer Anmeldung beim Netzbetreiber aus einer Hand.
Redundante Stromversorgung im Rechenzentrum: N, N+1, 2N
Redundanz bedeutet: Es ist mehr Technik vorhanden, als die Last braucht. Fällt ein Teil aus oder wird gewartet, übernimmt der Rest. Die üblichen Kurzformeln beschreiben, wie viel Reserve eingebaut ist. N steht für die Zahl der Einheiten, die die Last allein tragen müssen, etwa USV-Module, Aggregate oder Netzteile.
- N
- Genau so viele Einheiten, wie die Last braucht. Fällt eine aus, fehlt Leistung.
- N+1
- Eine Einheit mehr als nötig. Eine darf ausfallen oder in Wartung sein, ohne dass die Last leidet.
- 2N
- Die gesamte Versorgung doppelt, in zwei getrennten Wegen. Fällt ein ganzer Weg aus, läuft die Last über den anderen weiter.
- N+N
- Bezeichnung in Herstellerunterlagen, etwa bei NVIDIA für Netzteile: zwei gleich große Gruppen, von denen jede die Last allein tragen kann.
Faustregel: Zwei Geräte am selben Kabel, Schalter oder Verteiler sind noch kein redundanter Weg. Entscheidend ist, ob ein einzelner Fehler die Last abschaltet.
Getrennte Versorgungswege: was Norm und Hersteller sagen
DIN EN 50600-2-2 unterscheidet Primärversorgung, Sekundärversorgung und zusätzliche Versorgung. Eine Sekundärversorgung ist nach der Begriffsbestimmung „unabhängig von der Primärversorgung“ und „jederzeit verfügbar“. Eine zusätzliche Versorgung, etwa eine Netzersatzanlage, liefert Strom, wenn Primär- und/oder Sekundärversorgung ausfallen. Die vier Verfügbarkeitsklassen reichen laut Normzusammenfassung von der Einzelpfadauslegung (VK 1) bis zur fehlertoleranten Mehrpfadauslegung (VK 4).
Zwei Einspeisungen aus demselben Netz sind deshalb nicht automatisch zwei unabhängige Wege. Fachautoren empfehlen zwei Netzersatzanlagen, wenn sich die Unabhängigkeit zweier Einspeisungen nicht zweifelsfrei nachweisen lässt. Ein Anschlusspunkt für ein mobiles Aggregat reicht nach dieser Auslegung nicht; die Anlagen müssen fest installiert und dauerhaft einsatzbereit sein. In der Praxis verbreitet ist Verfügbarkeitsklasse 3.
Die Server selbst sind auf zwei Wege vorbereitet. Laut NVIDIA-Dokumentation hat ein DGX B200 sechs Netzteile in 5+1-Redundanz, ein DGX H100 sechs Netzteile in 4+2-Redundanz und ein DGX B300 in der Netzteil-Version zwölf Netzteile in N+N-Redundanz, von denen mindestens sechs arbeiten müssen. Für den DGX H100 schreibt NVIDIA: Verlieren drei Netzteile ihre Versorgung, etwa durch eine gestörte Stromverteilung, läuft das System mit reduzierter Leistung weiter. Mehr zu Leistung und Absicherung: KI-Server Stromversorgung.
Einordnung: Daraus folgt für die Planung, die Netzteile eines Servers auf zwei getrennte Stromverteilungen (A- und B-Einspeisung) aufzuteilen. Das ist unsere Ableitung aus den Datenblättern. Welche Leistung bei Ausfall einer Seite bleibt, steht im Handbuch des jeweiligen Systems.
Umschaltzeiten nach DIN VDE 0100-560
Wie lange darf eine Last ohne Strom sein? Für Einrichtungen für Sicherheitszwecke teilt DIN VDE 0100-560:2022-10 automatische Versorgungen nach ihrer maximalen Umschaltzeit in die Klassen A bis F ein. Die Norm gilt ausdrücklich nicht für Ersatzstromversorgungsanlagen, also nicht für die Netzersatzanlage, die ein Rechenzentrum aus wirtschaftlichen Gründen weiterlaufen lässt. Die Klassen eignen sich aber als gemeinsame Sprache, um Bausteine zu vergleichen.
Eine Online-USV (VFI) versorgt ohne Umschaltzeit und entspricht damit Klasse A. Ein Gewerbespeicher mit Netzersatzfunktion braucht nach Herstellerangabe etwa 5 bis 20 Sekunden und liegt damit je nach Gerät in Klasse D bis F. Für IT-Lasten kommt deshalb nur Klasse A infrage.
| Klasse | Umschaltzeit |
|---|---|
| A | unterbrechungsfrei |
| B | ≤ 0,15 s |
| C | ≤ 0,5 s |
| D | ≤ 5 s |
| E | ≤ 15 s |
| F | > 15 s |
Einordnung: Die Klassen A bis F sind über die Normzusammenfassung von DIN Media belegt. Die Zahlenwerte stammen aus der österreichischen Umsetzung desselben Harmonisierungsdokuments (OVE E 8101); den deutschen Normtext haben wir nicht im Wortlaut eingesehen.
USV-Autonomie: wie lange die Batterie trägt
Die Autonomie- oder Überbrückungszeit ist die Zeit, in der die USV-Batterie die volle Last allein trägt. Eine Norm, die für Rechenzentren eine feste Zeit vorschreibt, haben wir nicht gefunden. Die Zeit folgt aus dem Konzept: Mit Netzersatzanlage muss die Batterie den Start und die stabile Übernahme durch das Aggregat überbrücken, mit Reserve. Ohne Netzersatz muss sie für ein geordnetes Herunterfahren reichen.
Werte aus der Praxis: Ein Planungskompendium von Schneider Electric nennt 8 Minuten bis 1 Stunde oder länger. Eine Fallstudie des Batterieherstellers Hoppecke beschreibt einen Colocation-Betreiber mit 13 Rechenzentren, der mehrere Megawatt für 5 bis 10 Minuten überbrückt.
GPU-Cluster ändern ihre Leistung in der Praxis schnell und stark, etwa beim Start oder Ende eines Trainingslaufs. Die USV muss diese Sprünge im Batteriebetrieb ebenso tragen wie im Netzbetrieb, und das Aggregat muss sie nach der Übernahme ausregeln. Wir legen USV und Aggregat deshalb auf die maximale Systemleistung laut Datenblatt aus, nicht auf den Mittelwert.
Die nötige Batterieenergie ergibt sich aus Last mal Zeit. Ein Rechenbeispiel ohne Zuschläge:
- 57,2 kW
- vier NVIDIA DGX B200 mit je bis zu 14,3 kW laut Datenblatt
- 10 min
- gewünschte Autonomie bis zur Übernahme durch die Netzersatzanlage (Annahme)
- ≈ 9,5 kWh
- nutzbare Batterieenergie, rechnerisch: 57,2 kW × 10/60 h
Dazu kommen Wandlungsverluste, Alterung der Batterie und, falls sie mit an der USV hängt, die Kühlung. Die Zuschläge stehen im Datenblatt der USV und der Batterie.
Notstromaggregat im Rechenzentrum: Normen, Netzbetreiber, Stromsteuer
- Errichtung – DIN VDE 0100-551:2017-02 regelt Niederspannungs-Stromerzeugungseinrichtungen für drei Fälle: Versorgung als Alternative zum Netz, parallel zum Netz und ohne Netzanschluss. Für die Einspeisung in ersatzstromberechtigte Anlagen gilt ergänzend die Vornorm DIN VDE V 0100-551-2:2023-10.
- Ersatz- statt Sicherheitsstrom – Eine Netzersatzanlage im Rechenzentrum hält Verbraucher aus wirtschaftlichen Gründen in Betrieb. Fachlich ist das Ersatzstromversorgung. Für die Sicherheitsstromversorgung, etwa in Krankenhäusern und Versammlungsstätten, gelten eigene Normen wie DIN 6280-13.
- Netzparallelbetrieb – In der Niederspannung gilt ein Aggregat, das länger als die für die Synchronisierung zugelassenen 100 ms parallel zum Netz läuft, als Erzeugungsanlage mit Parallelbetrieb; so steht es in den Erläuterungen der N-ERGIE Netz zu ihren TAB, mit Bezug auf VDE-AR-N 4105. In der Mittelspannung hat die VDE-AR-N 4110 ein eigenes Kapitel zu Notstromaggregaten, einschließlich der Dauer des Netzparallelbetriebs.
- Probeläufe – Netzbetreiber können Probeläufe in ihren TAB begrenzen. Ein Beispiel: Die Stadtwerke Bayreuth erlauben in der Mittelspannung höchstens einen Start je Monat mit höchstens 60 Minuten Probelauf bei 50 % Nennlast. Die Regeln Ihres Netzbetreibers klären wir vor der Planung.
- Stromsteuer – Strom aus Anlagen, die der vorübergehenden Stromversorgung bei Ausfall oder Störung der sonst üblichen Versorgung dienen, ist nach § 9 Abs. 1 Nr. 4 StromStG von der Stromsteuer befreit. Das Gesetz nennt sie Notstromanlagen.
Batteriespeicher als Netzersatz: der Ablauf
Ein Gewerbespeicher mit Netzersatzfunktion kann einen Teil der Versorgung übernehmen, aber erst nach einer Umschaltpause. Ein Projektierungshinweis des Speicherherstellers INTILION beschreibt den Ablauf so:
01
Netzparallelbetrieb
Im Alltag läuft der Speicher am Netz. Er verschiebt Solarstrom und kappt Lastspitzen.
02
Umschaltung, ca. 5–20 s
Der Speicher erkennt den Netzausfall, schaltet die Anlage vom Netz frei, verriegelt die Trennung und erdet den Sternpunkt. Erst dann baut er das Inselnetz auf.
03
Netzbildender Betrieb
Der Speicher versorgt die angeschlossenen Verbraucher, bis das Netz zurück ist oder die reservierte Kapazität aufgebraucht ist.
04
Rückschaltung
Kehrt das Netz zurück, schaltet das System mit einer erneuten Unterbrechung von ca. 5–20 s zurück oder synchronisiert sich ohne Unterbrechung neu; das kann bis zu 180 s dauern.
Anmeldung: In der Niederspannung fragt das Datenblatt E.3 der VDE-AR-N 4105 ab, ob der Speicher inselnetzbildend nach VDE-AR-E 2510-2 ist, und verlangt im Netzersatzbetrieb die allpolige Trennung vom öffentlichen Netz. In der Mittelspannung enthält die VDE-AR-N 4110 eigene Kapitel zu Speichern und zum Inselbetrieb.
Batteriespeicher als Netzersatz dimensionieren
Am Anfang stehen zwei Fragen: Welche Verbraucher hängen am Netzersatz, und wie lange sollen sie laufen? Daraus folgen zwei Größen. Die Leistung des Wechselrichters muss die Last tragen. Die Kapazität, die für den Notfall frei bleiben muss, ergibt sich aus Last mal Zeit.
Diese Reserve steht im Alltag nicht für Solarstrom und Peak Shaving zur Verfügung. Wie viel man reserviert, ist in der Praxis eine Abwägung zwischen Ausfallsicherheit und Ertrag. Ein Rechenbeispiel ohne Zuschläge:
- 80 kW
- Last am Netzersatz, etwa Kühlung und Gebäudetechnik eines Serverraums (Annahme)
- 2 h
- gewünschte Überbrückung (Annahme)
- 160 kWh
- nutzbare Kapazität, die im Speicher für den Netzersatz frei bleiben muss
Vor den IT-Lasten bleibt die USV. Auch Hersteller von Rechenzentrumsspeichern wie Vertiv stellen ihre Systeme in Kombination mit einer USV vor, nicht als Ersatz. Wie ein Speicher im Betrieb arbeitet: Gewerbespeicher.
Prüfen und Warten
Notstrom, der im Ernstfall nicht übernimmt, nützt nichts. In der Praxis gehören deshalb feste Prüfungen zu jedem Konzept, mit Protokoll. Was wir dafür im laufenden Betrieb übernehmen: Wartung und Betriebsführung.
01
USV
Üblich sind Tests unter Last und der Tausch der Batterien nach Herstellerangabe, bevor ihre Kapazität unter die geplante Autonomie fällt.
02
Netzersatzanlage
Probeläufe nach Hersteller und TAB des Netzbetreibers, dazu üblicherweise Kontrolle von Kraftstoffvorrat und Startsystem.
03
Speicher
Die Netzersatzfunktion selbst prüfen, nicht nur den Alltag am Netz: Schaltet die Anlage um, trägt sie die Last, kommt sie sauber zurück?
04
Zusammenspiel
In festen Abständen die ganze Kette testen: Netz weg, USV übernimmt, Aggregat oder Speicher übernimmt, Rückschaltung. Jeder Test wird dokumentiert.
Häufige Fragen zu USV und Notstrom
Was ist der Unterschied zwischen USV und Notstrom?
Eine USV versorgt die angeschlossenen Geräte ohne Unterbrechung aus ihrer Batterie, typischerweise für einige Minuten. Notstrom im engeren Sinn liefert eine Netzersatzanlage, meist ein Dieselaggregat, das nach einigen Sekunden anläuft und dann Stunden bis Tage durchhält. Im Rechenzentrum arbeiten beide zusammen.
Welche USV braucht ein Rechenzentrum?
Für Server und GPU-Systeme in der Regel eine Online-USV der Klasse VFI nach DIN EN IEC 62040-3. Sie versorgt die Last dauerhaft über Gleichrichter und Wechselrichter und schaltet bei einem Netzausfall ohne Unterbrechung auf Batterie.
Wie lange muss eine USV überbrücken?
Mit Netzersatzanlage einige Minuten, bis das Aggregat gestartet ist und die Last stabil übernimmt, plus Reserve. Ohne Netzersatz so lange, wie ein geordnetes Herunterfahren der Systeme dauert. Die Zeit legen wir nach Ihren Anwendungen und der Verfügbarkeitsklasse fest.
Kann ein Batteriespeicher als USV dienen?
Ein typischer Gewerbespeicher nicht, weil er für die Umschaltung in den Inselbetrieb einige Sekunden braucht. Er kann aber nach der USV als Netzersatz einspringen, ein Aggregat ergänzen und im Alltag Solarstrom verschieben und Lastspitzen kappen. Speziell für den USV-Betrieb ausgelegte Systeme sind eine Ausnahme.
Welche Verfügbarkeitsklasse braucht ein KI-Rechenzentrum?
Das hängt davon ab, was ein Ausfall kostet. Für große KI-Installationen empfiehlt NVIDIA Rechenzentren nach Tier 3 bzw. DIN EN 50600 Verfügbarkeitsklasse 3. Für ein Rechenzentrum im Mittelstand legen wir die Klasse nach Ihren Anwendungen fest.
Muss die Kühlung auch an die USV?
Sie muss bei einem Netzausfall weiterlaufen, sonst überhitzen die Server trotz Stromversorgung. Ob Pumpen und Lüfter an die USV oder an die Netzersatzanlage kommen, hängt von der Wärmelast und davon ab, wie lange die Server ohne Kühlung auskommen.
Muss eine Netzersatzanlage beim Netzbetreiber angemeldet werden?
Ja, sie wird mit dem Netzbetreiber abgestimmt. Besonders wichtig ist das, wenn das Aggregat parallel zum Netz laufen soll, etwa für Probeläufe unter Last; dann gelten die Anforderungen der technischen Anschlussbedingungen wie für eine Erzeugungsanlage.
Was bedeuten N+1 und 2N bei USV und Notstrom?
N ist die Zahl der Einheiten, die die Last allein tragen müssen. N+1 heißt: eine Einheit mehr, sodass eine ausfallen oder gewartet werden kann. 2N heißt: die ganze Versorgung doppelt in zwei getrennten Wegen, sodass ein kompletter Weg ausfallen darf.
Ist Strom aus einer Netzersatzanlage stromsteuerpflichtig?
Nein, soweit die Anlage der vorübergehenden Stromversorgung bei Ausfall oder Störung der sonst üblichen Versorgung dient. Dann ist der Strom nach § 9 Abs. 1 Nr. 4 StromStG von der Stromsteuer befreit; das Gesetz nennt solche Anlagen Notstromanlagen.
Wie schnell übernimmt ein Batteriespeicher bei Stromausfall?
Ein Gewerbespeicher mit Netzersatzfunktion braucht nach Herstellerangabe etwa 5 bis 20 Sekunden, bis er das Inselnetz aufgebaut hat. Zurück aufs Netz schaltet er mit einer weiteren Unterbrechung ähnlicher Dauer oder ohne Unterbrechung per Neusynchronisierung, die bis zu 180 Sekunden dauern kann. Vor IT-Lasten bleibt deshalb die USV nötig.
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Leistung von KI-Servern und Racks: KI-Server Stromversorgung. Rechenzentrum auf dem eigenen Gelände: On-Prem-KI-Rechenzentrum. Speicher im Betrieb: Gewerbespeicher. Anschluss beim Netzbetreiber: Netzanschluss & Anmeldung.
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