Stromversorgung im Rechenzentrum: Grundlagen für die Planung

IET-Berlin

Rechenzentren sicher elektrotechnisch planen

IET-Berlin unterstützt Bauherren und Projektentwickler bei der Planung, Genehmigung und Koordination elektrotechnischer Anlagen.

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Kurz gesagt

Versorgungskette: Netzanschluss, Transformator, NSHV, USV, Unterverteilung und Rack bilden eine Kette. Jeder IT-Verbraucher wird über zwei unabhängige Pfade (A und B) versorgt.
Redundanz: N, N+1 und 2N beschreiben, wie viele Reserven ein System besitzt. Je größer und kritischer die Anlage, desto eher wird 2N bis zum Rack geplant.
Überbrückung: Die USV überbrückt ohne Unterbrechung oder innerhalb von Millisekunden, die Netzersatzanlage übernimmt nach Sekunden und versorgt das Rechenzentrum mit ausreichendem Treibstoffvorrat über Tage.
Regelwerk: DIN EN 50600-2-2, die Technischen Anschlussregeln VDE-AR-N 4110 und 4120, das TN-S-System und die EN 61439 bilden den normativen Kern.
Zeitpunkt: Netzanschluss, Leistungsreserven und Erweiterbarkeit werden ganz am Anfang festgelegt, nicht erst in der Ausführungsplanung.

Die Versorgungskette vom Netz bis zum Rack

Unabhängig von der Größe folgt die elektrische Infrastruktur eines Rechenzentrums einem wiederkehrenden Aufbau. Jede Stufe muss für sich ausfallsicher ausgelegt und mit den anderen Stufen selektiv abgestimmt sein:

Netzeinspeisung: Eine oder mehrere Einspeisungen aus dem öffentlichen Mittel- oder Hochspannungsnetz, idealerweise aus unterschiedlichen Umspannwerken.
Mittelspannungsschaltanlage und Transformatoren: Hier wird die Netzspannung auf Niederspannung umgespannt. Die Transformatoren sind in der Regel redundant ausgeführt.
Niederspannungshauptverteilung (NSHV): Sie verteilt die Energie auf die Verbrauchergruppen IT, Kühlung und Gebäudetechnik und bindet die Netzersatzanlage ein.
USV-Anlagen: Sie sichern die kritische IT-Last gegen Spannungseinbrüche und Netzausfälle ab, bis die Netzersatzanlage übernimmt.
Unterverteilungen und Stromschienen: Sie führen die gesicherte Energie in die IT-Räume.
Rack-Ebene: Steckdosenleisten (PDU) versorgen die Server, und zwar über zwei getrennte Pfade.

Wie konsequent diese Trennung umgesetzt werden kann, zeigt ein Betreiber-Whitepaper: Dort ist die Versorgung modular in sogenannten Energiezellen mit eigener Netz- und Notstromversorgung organisiert, und jeder IT-Verbraucher wird grundsätzlich von zwei unabhängigen Energiezellen gespeist. Diese Modularität ist kein Selbstzweck. Sie erlaubt es, Abschnitte für Wartung freizuschalten und das Rechenzentrum schrittweise zu erweitern, ohne den laufenden Betrieb zu gefährden.

Netzanschluss: Spannungsebene, Einspeisungen und Anschlussregeln

Der Netzanschluss ist bei Rechenzentrumsprojekten regelmäßig der Punkt mit dem längsten Vorlauf. Die Spannungsebene hängt von der Anschlussleistung ab: Für kleinere KI-Cluster im Bereich von 5 bis 10 MW werden nach einer Übersicht von Datacenter Insider ein bis zwei Einspeisungen mit 10 bis 20 kV angesetzt, Hyperscale-Anlagen über 100 MW benötigen zwei bis drei diversifizierte Einspeisungen mit 110-kV-Anbindung.

Für die Anschlussplanung gelten in Deutschland die Technischen Anschlussregeln des VDE. Der Leitfaden der Wirtschaftsförderung Brandenburg zur Ansiedlung von Rechenzentren nennt die VDE-AR-N 4110 für die Mittelspannung und die VDE-AR-N 4120 für die Hochspannung als maßgeblich. Er bewertet zwei unabhängige Einspeisungen als Standortvorteil und fordert mindestens zwei voneinander unabhängige Zufahrten für mobile Netzersatzanlagen. Die Technischen Anschlussbedingungen werden gemeinsam mit § 19 EnWG Bestandteil der Netzanschlussverträge, sie sind also vertraglich bindend und keine bloße Empfehlung.

Eine redundante Einspeisung ist nur dann wirksam, wenn sie tatsächlich diversifiziert ist. Laut Handelsblatt Live sind zwei vollständig getrennte Mittelspannungseinspeisungen vorzusehen, idealerweise von unterschiedlichen Umspannwerken, verbunden mit einer physischen Trennung von Kabeltrassen, Schaltanlagen und Transformatorstationen sowie einem Selektivitätskonzept gegen Kaskadenausfälle. Wie der Antrag beim Netzbetreiber abläuft und welche Unterlagen erforderlich sind, beschreibt unser Beitrag zum Netzanschlussantrag Strom. Warum knappe Netzkapazitäten den Umgang mit vorhandener Infrastruktur verändern, erläutert der Beitrag zur Höherauslastung von Schaltfeldern und Transformatoren.

Leistungsbedarf richtig dimensionieren

Die Dimensionierung beginnt bei der IT-Last, endet dort aber nicht. Nach Datacenter Insider entfallen rund 60 Prozent der eingespeisten Primärenergie auf Computing und Kommunikationsinfrastruktur, der zusätzliche Bedarf für Kühlung schwankt zwischen 7 und 30 Prozent. Hinzu kommen Verluste in Transformatoren und USV, Beleuchtung, Sicherheitstechnik und Gebäudeautomation.

Entscheidend ist heute die Leistungsdichte pro Rack. Mit KI-Anwendungen sind die Werte stark gestiegen. Dieselbe Quelle nennt folgende Richtwerte:

Anlagengröße	Leistung pro Rack	Empfohlene Redundanz	Einspeisung
KI-Cluster 5–10 MW	40–80 kW	N+1 oder 2N für kritische Pfade	1–2 Einspeisungen, 10–20 kV
KI-Cluster 20–50 MW	80–120 kW	2N für IT-Last, N+1 für Kühlung	mehrere Einspeisungen, Mittel- bis Hochspannung
Hyperscale über 100 MW	120–150 kW	vollständige 2N-Architektur bis zum Rack	2–3 diversifizierte Einspeisungen, 110 kV

Hohe Leistungsdichten verlangen kurze Strompfade, verlustarme Transformatoren und eine optimierte Power Usage Effectiveness (PUE). Die PUE beschreibt das Verhältnis der insgesamt verbrauchten elektrischen Energie zur Energie, die die IT-Infrastruktur aufnimmt, jeweils für einen definierten Zeitraum. Ein Wert nahe 1,0 bedeutet, dass nahezu die gesamte Energie bei der IT ankommt.

Ebenso wichtig sind Reserven. Der Kriterienkatalog TSI.STANDARD des TÜV Nord verlangt ausreichende Leistungsreserven der Transformatoren und bei mehrstufigen Ausbaukonzepten eine Komponentenauswahl, die eine skalierbare oder modulare Lösung ermöglicht. In der Praxis werden für Niederspannungsschaltanlagen häufig Reserven in der Größenordnung von 20 Prozent abgefragt. Belastbare Kostenansätze für solche Reserven entstehen erst auf Basis sauberer Kostenkennwerte in der Elektrotechnik.

Redundanz verstehen: N, N+1 und 2N

Die Redundanzstufe legt fest, wie viele Komponenten über den eigentlichen Bedarf hinaus vorhanden sind:

N bezeichnet genau die Kapazität, die zur Versorgung der Last erforderlich ist. Fällt eine Komponente aus, fehlt Leistung.
N+1 ergänzt eine zusätzliche Komponente. Benötigt die Last drei USV-Module, werden vier installiert, sodass der Ausfall eines Moduls ohne Folgen bleibt. Eine kompakte Erläuterung des Prinzips bietet der Glossareintrag zur N+1-Redundanz im Rechenzentrum.
2N bedeutet zwei vollständig getrennte Systeme, die jeweils die gesamte Last allein tragen können. Ein Fehler in einem Pfad, auch in einer Verteilung oder einem Kabelweg, berührt den zweiten Pfad nicht.
2(N+1) kombiniert beide Ansätze: zwei getrennte Pfade, jeder mit eigener Reservekomponente.

N+1 sichert gegen den Ausfall einzelner Geräte ab, 2N zusätzlich gegen Fehler im Verteilsystem selbst und ermöglicht Wartung ohne Betriebsunterbrechung. Zur Gewährleistung der Ausfallsicherheit sind nach dem Bericht von Handelsblatt Live typischerweise 2N- oder N+1-Konzepte auf Einspeise- und Netzseite vorzusehen. Welche Stufe für welchen Abschnitt der Kette angemessen ist, ist eine Planungsentscheidung, die aus der geforderten Verfügbarkeitsklasse abgeleitet und mit dem Bauherrn dokumentiert werden muss.

USV und Netzersatzanlage: wer wann übernimmt

Bei einem Netzausfall greifen zwei Systeme nacheinander. Die USV liefert nach DIN EN 62040-3 Strom ohne Unterbrechung oder mit einer Umschaltzeit unter 20 Millisekunden, während Notstromaggregate nach DIN VDE 0100-560 Umschaltzeiten von bis zu 15 Sekunden haben können. Die USV überbrückt also genau die Zeitspanne, bis die Netzersatzanlage hochgefahren und auf Last geschaltet ist.

Die IEC 62040-3 unterscheidet drei USV-Klassen: VFI, VI und VFD. Für IT-Lasten ist die VFI-Technik (Online-USV, Doppelwandler) der Standard, da sie die Last dauerhaft vom Netz entkoppelt. Im genannten Betreiber-Whitepaper wird jeder Versorgungspfad am Rack durch eine eigene Online-USV gespeist, die Netzersatzanlage wird innerhalb von 10 Sekunden auf Last geschaltet, und der Treibstoffvorrat sichert die Versorgung für mindestens 72 Stunden.

USV-Anlagen sind zugleich ein erheblicher Verbraucher. Nach dem Leitfaden des Umweltministeriums Baden-Württemberg verursachen sie rund 10 Prozent des gesamten Strombedarfs eines Rechenzentrums. Moderne Anlagen erreichen bei Volllast Wirkungsgrade von über 90 Prozent, im Teillastbetrieb unter 50 Prozent nimmt der Wirkungsgrad jedoch stark ab. Eine präzise Dimensionierung und eine modulare USV-Architektur, die mit der tatsächlichen Last wächst, sind deshalb sowohl eine Frage der Verfügbarkeit als auch der Betriebskosten. Der Leitfaden beschreibt außerdem, eine Zweit-USV bei geringer Auslastung getrennt zu halten und erst beim Ausfall der Haupt-USV zuzuschalten. Ob ein solcher Betrieb mit der vereinbarten Verfügbarkeitsklasse vereinbar ist, muss im Redundanzkonzept bewertet werden. Wie ein durchdachtes Notstromkonzept für kritische Einrichtungen aufgebaut wird, zeigt unser Beitrag zur Notstromversorgung für Unternehmen und Behörden.

Netzform, Erdung und Überwachung

Für die Betriebssicherheit sind Netzform und Erdung ebenso entscheidend wie die Redundanz. Der Kriterienkatalog des TÜV Nord verlangt, dass die Energieversorgung im Gebäude auf einem 5-Leiter-Netz (TN-S) basiert. PE und N sind getrennt zu verlegen, der Neutralleiter ist isoliert zu führen und nur am zentralen Erdungspunkt (ZEP) mit dem PE zu brücken. Zudem muss ein Erdungskonzept vorliegen, das alle Betriebsarten berücksichtigt, also auch den Netzersatzbetrieb. Die Niederspannungsversorgung und -verteilung ist über redundante, brandschutztechnisch getrennte Systeme und Räume auszuführen. Trockentransformatoren müssen der EN 60076-11 entsprechen, Niederspannungsschaltgerätekombinationen der EN 61439.

Ein sauberes TN-S-System verhindert vagabundierende Ströme auf Schirmen und Datenleitungen, die sonst Störungen und Brandgefahren verursachen können. Es bleibt allerdings nur dann sauber, wenn es dauerhaft überwacht wird. In der Fachpraxis hat sich eine permanente Differenzstromüberwachung mit RCM-Geräten bewährt, deren Meldungen auf eine ständig besetzte Stelle aufgeschaltet werden. So erkennt die verantwortliche Elektrofachkraft unzulässige N-PE-Verbindungen oder Isolationsfehler frühzeitig und kann eingreifen, bevor ein Schaden entsteht.

DIN EN 50600 und Verfügbarkeitsklassen

Die DIN EN 50600 ist die europäische Normenreihe für Einrichtungen und Infrastrukturen von Rechenzentren. Nach dem Leaflet des TÜV Rheinland zur DIN EN 50600 hat die Norm das amerikanische Tier-Modell übernommen, um europäische betriebliche Anforderungen ergänzt und in vier Verfügbarkeitsklassen überführt. Sie versteht sich als Leitfaden und Baukastensystem mit Freiheitsgraden. Teil 2-2 regelt die Stromversorgung und -verteilung und definiert Dimensionierung, Verfügbarkeitsklassen und physische Sicherheit.

Für die Planung bedeutet das: Zuerst wird die erforderliche Verfügbarkeitsklasse festgelegt, danach werden Redundanzen, Raumaufteilung und Brandabschnitte abgeleitet. Im Kriterienkatalog des TÜV Nord zur EN 50600 werden als Stromquellen die Versorgung aus dem öffentlichen Netz als Primär- und Sekundärversorgung sowie Netzersatzanlagen als zusätzliche Versorgung anerkannt. Wer eine Zertifizierung anstrebt, sollte die Kriterien bereits in der Entwurfsplanung berücksichtigen, da nachträgliche Anpassungen an Schaltanlagen oder Trassen erhebliche Mehrkosten verursachen.

Energieeffizienz und gesetzlicher Rahmen

Seit dem Inkrafttreten des Energieeffizienzgesetzes am 18. November 2023 gelten für Betreiber von Rechenzentren in Deutschland verbindliche Anforderungen, unter anderem an Energieaudits, Effizienzmaßnahmen und Berichte über den Energieverbrauch. Rechenzentren dürfen abhängig von ihrem Betriebsbeginn einen bestimmten PUE-Wert nicht überschreiten, und seit Januar 2024 müssen sie mindestens 50 Prozent ihres Jahresverbrauchs aus erneuerbaren Energien decken.

Für die elektrotechnische Planung ergeben sich daraus konkrete Anforderungen: eine lückenlose Messinfrastruktur, die IT-Verbrauch und Gesamtverbrauch getrennt erfasst, verlustarme Transformatoren und USV-Anlagen, die im effizienten Lastbereich arbeiten. Hinzu kommen eigene Erzeugung und Energiemanagement. Unsere Beratung zum Energiemanagement und die Beratung zur Photovoltaik setzen genau an dieser Schnittstelle an.

Unsere Sicht: Die Stromversorgung wird zuerst geplant

In unserer Planungspraxis zeigt sich immer wieder, dass die Stromversorgung eines Rechenzentrums zu spät als eigenständige Disziplin behandelt wird. Wird der Netzanschluss erst beantragt, wenn Gebäude und Flächen bereits feststehen, bestimmen Netzbetreiber und verfügbare Kapazitäten das Projekt, nicht der Bauherr.
Wir empfehlen deshalb, Verfügbarkeitsklasse, Redundanzkonzept, Anschlussleistung und Ausbaustufen bereits in der Grundlagenermittlung verbindlich festzulegen. Aus diesen Festlegungen ergeben sich Spannungsebene, Anzahl der Transformatoren, Größe der Technikräume, Brandabschnitte und Trassenführung. Jede spätere Änderung an diesen Punkten kostet Zeit und Geld und verschiebt Haftungsfragen auf die Baustelle.
Ebenso wichtig ist uns die Verbindung von Versorgungssicherheit und Effizienz. Eine USV, die dauerhaft im ungünstigen Teillastbereich läuft, ist kein Sicherheitsgewinn, sondern ein Kostenfaktor. Modulare Konzepte, präzise Dimensionierung und ein durchdachtes Energiemanagement gehören deshalb von Beginn an in die Planung.
Unser Anspruch ist eine Elektroplanung, die den Bauherrn von der ersten Lastannahme bis zur Inbetriebnahme begleitet und Behörden, Netzbetreiber und ausführende Unternehmen koordiniert.
Alexander Blau

Elektrotechnische Fachplanung für Ihr Rechenzentrum

IET-Berlin plant elektrotechnische Anlagen für Neubauten, Umbauten und Modernisierungen in Berlin, Brandenburg und bundesweit. Für Rechenzentren und andere kritische Infrastrukturen übernehmen wir die Leistungsphasen der HOAI von der Grundlagenermittlung über Entwurfs- und Genehmigungsplanung bis zur Ausführungsplanung, einschließlich Leistungsverzeichnissen, Kostenberechnung, Koordination mit Netzbetreibern und Behörden sowie Objekt- und Bauüberwachung.

Sie planen ein Rechenzentrum oder die Modernisierung eines bestehenden Serverraums? Sprechen Sie uns an, damit Netzanschluss, Redundanzkonzept und Energieeffizienz von Beginn an aufeinander abgestimmt sind. Einen Überblick über unsere Leistungen finden Sie auf iet-berlin.de.

Häufige Fragen

Welche Komponenten gehören zur Stromversorgung eines Rechenzentrums?

Zur Versorgungskette gehören Netzeinspeisung, Mittelspannungsschaltanlage, Transformatoren, Niederspannungshauptverteilung, USV-Anlagen, Netzersatzanlage, Unterverteilungen und die Steckdosenleisten im Rack. In hochverfügbaren Anlagen ist diese Kette zweifach vorhanden, sodass jedes Rack über einen A- und einen B-Pfad versorgt wird.

Wann reicht N+1, wann ist 2N erforderlich?

N+1 sichert gegen den Ausfall einzelner Komponenten wie eines USV-Moduls ab. 2N schützt zusätzlich gegen Fehler im Verteilsystem und erlaubt Wartung ohne Abschaltung. Welche Stufe erforderlich ist, ergibt sich aus der vereinbarten Verfügbarkeitsklasse nach DIN EN 50600 und der Kritikalität der IT-Last.

Wie lange muss eine USV die Last überbrücken?

Die USV muss mindestens die Zeit überbrücken, bis die Netzersatzanlage gestartet und auf Last geschaltet ist, plus eine Sicherheitsreserve für einen fehlgeschlagenen Startversuch. Die konkrete Autonomiezeit wird im Notstromkonzept festgelegt und mit Startverhalten und Lastzuschaltung der Netzersatzanlage abgestimmt.

Warum ist ein TN-S-System im Rechenzentrum vorgeschrieben?

Im TN-S-System sind Neutralleiter und Schutzleiter getrennt geführt und nur am zentralen Erdungspunkt verbunden. Dadurch fließen keine Betriebsströme über Schutzleiter, Schirme oder Datenleitungen, was Störungen und Brandrisiken vermeidet. Zertifizierungskataloge wie der TSI.STANDARD setzen diese Netzform voraus.