Die Technologie von Rolls-Royce liefert hochwertige Leistung

MTU 20V4000 Dieselgenerator (Foto: Rolls-Royce Power Systems)

Ähnlich wie in einigen anderen Regionen der Welt herrscht auch auf dem Stromerzeugungsmarkt ein Konflikt. Auf der einen Seite sind manche nationalen Stromnetze nicht in der Lage, den Strombedarf einer wachsenden Zahl von Großverbrauchern, wie beispielsweise neuen Rechenzentren, zu decken. Da keine Netzanschlüsse verfügbar sind, greifen diese Einrichtungen auf dezentrale Lösungen zurück, die die benötigte Energie liefern können.

Doch auf der anderen Seite besteht ein dringender Bedarf, die Emissionen im gesamten Energieerzeugungssektor zu reduzieren. Wie aber kann dies erreicht werden, solange Dieselkraft den Markt für Notstromversorgung noch immer dominiert?

Kaum jemand ist besser geeignet, diese Frage zu beantworten, als Michael Stipa, Senior Vice President für Geschäftsentwicklung und Produktmanagement im Bereich stationäre Energielösungen bei Rolls-Royce Power Systems. Neben der Strategieentwicklung für stationäre Energielösungen analysiert er auch Kundenbedürfnisse und Markttrends, um die zukünftige Ausrichtung der Produktstrategie des Unternehmens festzulegen.

Michael Stipa, Rolls-Royce Power Systems

Vor seinem Eintritt bei Rolls-Royce war Stipa bei einer Reihe nationaler Energieversorger in ganz Europa tätig, wobei der Schwerpunkt auf erneuerbaren Energien lag – hier besteht eine klare Möglichkeit, Einblicke zu gewinnen, wie die Stromversorgung für große und kleine Kunden am besten gesteuert werden kann.

Stipa bestätigt, dass Diesel nach wie vor die bevorzugte Energiequelle für Notstromaggregate ist und dass sich dies kurz- bis mittelfristig voraussichtlich nicht ändern wird. „Der Hauptgrund, warum Diesel im Markt für Notstromaggregate weiterhin führend ist, liegt in seiner Energiedichte“, erklärt er. „Die Aggregate sind zwar bemerkenswert klein und kompakt, aber die Energiedichte ist der entscheidende Faktor. In jedem Liter Diesel stecken etwa 10 kWh Energie.“

„Wenn der Kunde 72 oder 96 Stunden Notstrom benötigt, muss die Energie entsprechend gespeichert werden. Dieselkraftstoff bietet die nötige Energiedichte, um dies einfacher und kostengünstiger zu gestalten. Es gibt zwar Batteriespeichersysteme (BESS), diese reichen aber nur für etwa vier bis sechs Stunden Energieversorgung aus. Die Installation von BESS für 96 Stunden Notstromversorgung ist jedoch wirtschaftlich nicht rentabel, da diese Kapazität möglicherweise nie benötigt wird.“

Dieselprobleme

Dieselkraftstoff birgt jedoch eigene Probleme, insbesondere die Kraftstoffalterung durch Oxidation und mikrobielle Verunreinigung bei längerer Lagerung. Laut Stipa lässt sich dieses Problem durch die Verwendung von B0-Kraftstoff reduzieren, der im Gegensatz zu B7 keinen Biodiesel (FAME) enthält. Er weist außerdem darauf hin, dass Additive und Kraftstoffaufbereitungssysteme Verunreinigungen im gelagerten Kraftstoff entfernen können. Letztendlich muss der Dieselkraftstoff jedoch ausgetauscht werden, entweder nach einem festen Zeitplan oder basierend auf Stichprobenanalysen.

HVO, oder hydriertes Pflanzenöl, ist im Allgemeinen weniger anfällig für mikrobiellen Abbau und kann deutlich länger gelagert werden. Allerdings muss der Hersteller die Verwendung von HVO genehmigen, und obwohl die Liefermengen in Europa und den USA steigen, ist dieser nachhaltige Kraftstoff nicht immer problemlos verfügbar.

E-Diesel, auch synthetischer Diesel genannt, wird aus grünem Wasserstoff und CO₂ hergestellt und bietet ein ähnliches Potenzial zur Emissionsreduzierung. Er ist jedoch teuer und nicht ohne Weiteres verfügbar, die Produktion nimmt aber zu. Die größte E-Diesel-Produktionsanlage Europas wurde 2025 in Frankfurt eröffnet.

Bewährungszeiten

Neben der Wahl des Brennstoffs gibt es verschiedene Abgasnachbehandlungssysteme, die zur Reduzierung von NOx- und Partikelemissionen beitragen können. Stipa merkt jedoch an, dass ein Bereich, der nicht genügend Beachtung findet, die Verkürzung des Testprogramms für Stromaggregate ist.

„Der Motor eines dezentralen Stromerzeugungssystems muss getestet werden, um seine Einsatzbereitschaft sicherzustellen. Wenn Sie Ihr Auto zwei oder drei Jahre lang nicht benutzt hätten, würde es wahrscheinlich nicht anspringen. Der Betreiber eines Rechenzentrums muss sich darauf verlassen können, dass die Motoren bei Bedarf einsatzbereit sind.“

„Ursprünglich wurden die Motoren monatlich getestet, aber mit unserem herstellerzertifizierten verlängerten Testintervall können die Betreiber ihre Testläufe auf einmal alle drei Monate ausdehnen. Das reduziert die Emissionsmenge sofort um zwei Drittel.“

Weiterhin erklärt er, dass Rolls-Royce den Testzyklus noch weiter ausdehnen möchte und dabei auch die Lastniveaus und die erforderliche Motordrehzahl untersucht, um erfolgreiche Tests zu gewährleisten und die Systembereitschaft zu bestätigen.

Stipa: „Wir führen derzeit begrenzte Tests durch und lassen den Motor für kürzere Zeiträume im Leerlauf laufen, wobei wir ihn nur gelegentlich auf Betriebsdrehzahl bringen. Das wird weniger Kraftstoff verbrauchen und auch dazu beitragen, die damit verbundenen Emissionen zu reduzieren.“

Natürlich wäre ein Motortest ohne Verbrennung die sauberste Methode. Laut Stipa können Kaltstarts zwar einige Parameter überprüfen, aber der Motorölfluss muss gewährleistet sein, um Motorschäden auszuschließen. Auch die Hilfskomponenten müssen geprüft werden, was nur mit einem Heißstart möglich ist.

Verbesserungen in der Motorentechnik können laut Stipa ebenfalls zur Emissionsreduzierung beitragen. Durch die Erhöhung des Kraftstoffeinspritzdrucks, um ein Luft-Kraftstoff-Gemisch mit besserer Kraftstofftröpfchenverteilung zu erzeugen, wird weniger Kraftstoff pro Kompressionszündungszyklus verbraucht, wodurch die Partikelemissionen sinken.

Alternative Lösungen

Um auf den Energiebedarf von Rechenzentren zurückzukommen: Die bevorzugte Quelle für die primäre Stromversorgung ist das Stromnetz. Reicht die Leistung des Stromnetzes jedoch nicht aus, um eine Verbindung herzustellen, ist eine dezentrale Primärstromversorgung erforderlich, um diese Lücke zu schließen.

Laut Stipa handelt es sich hierbei um ein Problem der Stromversorgungssicherheit: „Die nationalen Stromnetze können mit dem Wachstum des Rechenzentrumsmarktes nicht Schritt halten. Selbst wenn eine Grundstromversorgung gewährleistet ist, kann die Energieversorgung unregelmäßig sein.“

„Dadurch entsteht ein Versorgungssicherheitsproblem, da das Stromnetz möglicherweise nicht die vollen 8.760 Stunden pro Jahr Strom liefern kann. Selbst wenn ein Anschluss angeboten wird, besteht unter Umständen die Sorge, dass der Bedarf das Angebot übersteigt. Hier kommen Gasmotoren zum Einsatz, die die Überbrückungsstromversorgung sicherstellen, bis ein sicherer Netzanschluss hergestellt ist.“

MTU-Gasmotoren-Modulkraftwerk (MEPP) (Foto: Rolls-Royce Power Systems)

Gasmotoren produzieren deutlich weniger Emissionen als Dieselmotoren. Obwohl sie nicht die gleiche Fähigkeit wie Dieselmotoren besitzen, innerhalb von weniger als 15 Sekunden Volllast zu erreichen, werden bedeutende Verbesserungen entwickelt. Laut Stipa erreichen moderne Gasmotoren Volllast in 90 bis 120 Sekunden. Rolls-Royce entwickelt derzeit eine Schnellstartlösung, die dies in nur 45 Sekunden ermöglichen könnte.

Die Zeitspanne bis zum Erreichen der Volllast kann durch die Stromversorgung einer USV (unterbrechungsfreie Stromversorgung) überbrückt werden. Diese funktioniert ähnlich wie ein Batteriespeichersystem (BESS), verfügt aber über Wechselrichter und andere Technologien, die eine nahezu sofortige Bereitstellung maximaler Energie ermöglichen. Im Gegensatz zu einem BESS entlädt sich die USV jedoch innerhalb von Minuten statt Stunden.

Kinetische Energie

Es gibt jedoch ein dynamisches USV-System. Dieses besteht aus einem Schwungrad, das kinetische Energie aus der primären Stromquelle speichert. Bei einem Stromausfall wird das Netz getrennt – und das Schwungrad liefert sofort Strom, da es über einen Synchrongenerator mechanisch angeschlossen ist. Dies geschieht ohne Unterbrechung, Spannungseinbruch oder Frequenzabweichung.

MTU-Kinetik-Kraftwerk bei Vetter Pharma (Foto: Rolls-Royce Power Systems)

Das kinetische Speichersystem befindet sich üblicherweise an einem dafür vorgesehenen Ort oder innerhalb der Gebäudestruktur, es gibt aber auch Ausführungen, die in einem modularen Container untergebracht sind.

Man könnte meinen, ein Superkondensator wäre für diese Anwendung besser geeignet. Stipa erklärt jedoch, dass die inhärenten Eigenschaften der Technologie dazu führen, dass ihnen einige entscheidende Fähigkeiten fehlen.

Zunächst einmal basiert die Energiespeichermethode mit einem kinetischen Schwungrad genau darauf – auf kinetischer Energie. Es handelt sich also im Wesentlichen um ein mit Masse beladenes Rad, das mechanische Energie speichert. Ein Superkondensator hingegen speichert elektrische Energie, und obwohl er eine sehr hohe Leistungsdichte (im MW-Bereich) aufweist, ist seine Energiedichte (gemessen in MWh) vergleichsweise gering.

„Deshalb nutzen wir das kinetische Energiespeichersystem“, erklärt Stipa. „Der Superkondensator speichert Energie in Form von Elektrizität, sodass keine Umwandlung nötig ist. Das ermöglicht eine schnelle Leistungsabgabe. Wenn jedoch eine Leistungsabgabe im Megawattstundenbereich erforderlich ist, kann der Superkondensator mit der kinetischen Energielösung nicht mithalten.“

Zusammenfassend stellt Stipa fest: Wenn man viel Energie in kürzester Zeit benötigt, ist ein Superkondensator die richtige Wahl. Für viel Energie über einen längeren Zeitraum bietet sich die Lösung mit rotierender kinetischer Masse an. Und für noch längere Zeiträume, gemessen in Stunden und Tagen, bleibt Diesel die beste Lösung.

„Das kinetische System kann sogar USV und BESS als Teil eines Notstromsystems ersetzen“, sagt Stipa. „Es ist deutlich kostengünstiger und liefert Strom von sehr hoher Qualität. Dies ist für einige Branchen, wie beispielsweise die Halbleiterproduktion, von großer Bedeutung, da jede Abweichung in der Stromqualität eine Charge sehr teurer Chips unbrauchbar machen kann.“

Konzeptbild einer SMR-Anlage (Foto: Rolls-Royce Power Systems)