‘Terug naar de basis en alle investeringen meenemen’

Eén van onze opdrachtgevers (laten we hen ‘Opdreachtgever X’ noemen) heeft een datacenter met een 2N elektrotechnische installatie van 1500 kW, waarvan de UPS-installaties toe zijn aan groot onderhoud. Daarbij heeft de opdrachtgever te kennen gegeven dat er frequent batterijen van de UPS-installaties defect raken. Marco Wenzkowski en Rob Jagtenberg van Royal HaskoningDHV gingen tijdens de UPS Day 2017 van DatacenterWorks dieper in op dit project.

Het bestaande elektrotechnische systeem bestaat uit:

  • Een 2N installatie
  • Elk systeem is voorzien van 3 x 500 kW UPS’en
  • Batterijen zijn Eurobat 10-12y UPS, geplaatst in 2007 met een autonomietijd van 15 minuten
  • Actuele IT-belasting bedraagt circa 700 kW
  • generatoren van de installatie staan in een 2+1 opstelling, elk met een vermogen van 1.400 kVA. De opstarttijd bedraagt circa 25 seconden

De opdrachtgever heeft aangegeven te twijfelen tussen:

  1. Het vervangen van de UPS’en inclusief batterijen, of
  2. Alleen de batterijen, de condensatoren en ventilatoren van de UPS’en te vervangen

Werkelijk opgesteld vermogen versus verwachtingen

Het eerste wat bij een dergelijk onderzoek dient te gebeuren, is controleren of de destijds geplaatste installatie wel optimaal geselecteerd is. In sommige projecten wordt een installatie goed berekend en vervolgens wordt de ‘best value for money’ uiteindelijk geïnstalleerd. Dit bleek ook hier het geval te zijn.

De IT-belasting is gesteld op 1.500 kW. De volgende verliezen dienen echter wel meegenomen te worden in de berekeningen:

  • Distributieverliezen (koperverliezen)
  • In dit geval 5% UPS verliezen
  • 10% laadstromen van de UPS’en
  • Harmonische vervormingsverliezen

Uit deze berekeningen bleek dat de transformatoren niet voldoende vermogen konden leveren om 1.500 kW IT-belasting te faciliteren.

Daarbij hebben we geconstateerd dat de generatoren van elk 1400 kVA ook hun eigen ventilatie en dieselvoorziening moeten kunnen voeden. Dit betreft in deze situatie circa 35 kW. Deze dient opgeteld te worden bij het aangesloten elektrisch vermogen.

UPS’en die op deellast draaien, hetgeen gebruikelijk is bij een 2N configuratie, hebben een minder goed rendement. Tevens zijn de distributieverliezen ook aanzienlijk lager. Uitgangspunt is dat alle twee de elektrotechnische voedingen (2N) continu in bedrijf zijn, waarbij de normale bedrijfsvoering (transformatorbedrijf) gelijk is aan noodstroombedrijf. Dit houdt in dat ook laadstromen voor de UPS’en door de generatoren geleverd moeten kunnen worden.

De eerste conclusie is dat er in dit scenario ‘slechts’ 1.240kW IT-belasting gefaciliteerd kan worden en niet de initiële 1.500kW.

Opties voor de noodstroominstallatie

Voor de noodstroominstallatie worden de volgende opties overwogen:

  • UPSen onderhouden, alleen de batterijen vervangen voor:
  1. VRLA’s, 6-9 jaar conform Eurobat
  2. VRLA’s, 10-12 jaar conform Eurobat
  3. VRLA’s, 12+ jaar conform Eurobat
  4. Nieuwste generatie Lithium-Ion batterijen

De autonomietijden dienen hierbij nader te worden bepaald.

  • Vervangen van de gehele UPS-installatie voor een nieuwe installatie met
  1. VRLA batterijen
  2. Lithium-Ion batterijen
  3. Losstaande vliegwielen
  4. Ultracapacitors
  5. Vervangen van de gehele UPS-installatie voor vliegwielen
  6. Vervangen van de UPS-installatie én de generatoren voor een dynamische UPS-installatie

Enkele opties werden weloverwogen niet gekozen:

  • De wens van de opdrachtgever was een installatie conform TIA942-2014, maar wil niet meer investeren dan noodzakelijk. Resultaat; Autonomietijd wordt hiermee gesteld op 10 minuten.
  • Lithium-Ion batterijen hebben minder koeling nodig, echter is de bestaande koeling voor de batterijen reeds geïnstalleerd. Besluit; De bestaande koeling blijft behouden.
  • Indien minder batterijen worden geplaatst ontstaat er meer fysieke ruimte in de batterij-ruimte, deze ruimte kan echter niet op een andere wijze benut worden. Resultaat; ruimtebesparing in de batterij ruimte heeft geen meerwaarde.
  • De opdrachtgever heeft een huurcontract voor 10 jaar voor zijn huidige gebouw, welke eenzijdig met nog eens 10 jaar verlengd kan worden. Besluit; De gekozen oplossing dient bij voorkeur geschikt te zijn voor 10 jaar óf 20 jaar.
  • Lithium-Ion batterijen hebben een andere laadcurve dan VRLA batterijen. Besluit; er dient geverifieerd te worden of de bestaande UPS’en wel kunnen functioneren met lithium-Ion batterijen. Dit blijkt niet het geval te zijn, waarmee deze optie komt te vervallen.
  • De generatoren zijn van het bouwjaar 2002, werken naar tevredenheid en hebben een acceptabele opstarttijd van circa 25 seconden. De generatoren hebben pas 190 draaiuren. De opdrachtgever heeft geen reden om deze te vervangen. Resultaat; geen reden voor een dynamisch UPS-installatie.

Andere overwegingen:

  1. De generatoren starten separaat op en worden parallel gezet. Dit proces duurt 25 seconden waarmee een vliegwiel van 15 seconden geen optie is. Er zijn dus 2 opties voor vliegwielen;
    1. Vliegwielen van 30 seconden autonomietijd plaatsen en accepteren dat deze op deellast draaien en dus een lagere efficiëntie hebben.
    2. Aanpassen opstartsystematiek van de generatoren zodat ze in 10 seconden opgestart zijn en parallel staan.
  2. Bouwkundige aanpassingen dienen meegenomen te worden in de overweging; verstevigen vloeren, aanpassingen in transportroutes, extra staalframes calculeren en berekenen indien dit nodig blijkt te zijn.
  3. Systeemverliezen op deellast en de onderhoudskosten dienen meegenomen te worden in de berekeningen en overweging.
  4. Overige aanpassingen worden ook meegenomen;
    1. De hoofdverdeler voedt nu de UPS’en met 1.000A velden. Mogelijk moet dit aangepast worden.
    2. Mogelijk hergebruik van de bekabeling, batterij-racks, kabelwegen en dergelijke.

Eindvergelijking van het onderzoek

De genoemde opties en beperkingen resulteren in het volgende overzicht:

  1. Hierin is te zien dat de Lithium-Ion optie nog erg prijzig is en daarmee geen gunstige Return On Investment (ROI) heeft ten opzichte van VRLA.
  2. DC vliegwielen zouden eventueel op de bestaande batterijen aangesloten kunnen worden. Echter zijn dit 2 gescheiden systemen, elk met hun eigen investeringskosten, installatiekosten en energetische verliezen.
  3. Ultracapacitors staan als techniek nog redelijk in de kinderschoenen en om hiertoe te besluiten is mogelijk risico.

Dit is samen met de hoge investeringskosten een goede reden hier niet voor te kiezen.

Hoewel veel leveranciers met enthousiasme lithium-Ion promoten, dienen de voordelen (lager gewicht, minder volume, minder vaak service en minder koeling nodig) ook wel echt voordelen te geven voor de specifieke wensen en eisen van de opdrachtgever. Voor dit onderzoek blijkt dat niet het geval. Als eindconclusie mag dan ook gesteld worden dat de meest economische oplossing voor dit onderzoek is om de UPS’en én de batterijen of alleen de batterijen te vervangen. In beide gevallen voor VRLA-batterijen met een autonomietijd van 10 minuten. De keuze tussen deze laatste 2 oplossingen zal de opdrachtgever zelf maken gebaseerd op zijn eigen langetermijnplanning en huurcontract.

Rob Jagtenberg, Electrical Lead Engineer Royal HaskoningDHV
Marco Wenzkowski, Business Development Manager / Consultant Royal HaskoningDHV

email

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *