Keine Angst vor nassen Füßen!

Heiße Themen - Flüssigkühlung und Schwungradtechnik

| Autor / Redakteur: Ariane Rüdiger / Ulrike Ostler

Fujitsu zeigte sein Liquid Immersion Cooling System erstmals auf der CeBIT 2017. In das Bad passen hrizontal 16 Höheneinheiten und verbraucht nach Herstellerangaben 40 Prozent weniger Strom als herkömmliche Racks.
Fujitsu zeigte sein Liquid Immersion Cooling System erstmals auf der CeBIT 2017. In das Bad passen hrizontal 16 Höheneinheiten und verbraucht nach Herstellerangaben 40 Prozent weniger Strom als herkömmliche Racks. (Bild: Ariane Rüdiger)

Auf der Kongressmesse „Future Thinking“ brachen die Referenten eine Lanze für innovative Kühltechnologien, Wärmerückgewinnung und den Ersatz von Batterien. Nur so könnten Rechenzentren neue Effizienzhorizonte erreichen und ihre umweltschädlichen Effekte minimieren, betonen viele Spezialisten.

„Während wir beim Flugzeugbau inzwischen jedes Detail und das Zusammenspiel aller Komponenten erfolgreich digital simulieren, geht man im Rechenzentrumsbereich altmodischer vor“, kritisiert Dr. Hans-Joachim Popp, CIO bei der Deutschen Anstalt für Luft- und Raumfahrt (DLR). Vor allem fehle es an Interdisziplinarität und Mut.

So brauchten Datacenter-Bauer unbedingt Wissen über Thermodynamik, besitzen es aber nur selten. Zudem sei das Risiko-Management angstgesteuert, Informatiker, die sich bange machen ließen, bestimmten, was letztlich eingesetzt werde, obwohl Fakten für eine Grundlage fehlten. Wer aber bei nagelneuen Hochleistungsrechenzentren mehrere Kilometer Luftkanäle und saubere Trennung von Kalt- und Warmluft als fortschrittliche technologische Errungenschaft anpreise, der verkaufe keine Revolution, sondern bestenfalls inkrementelle Fortschritte.

Die Energie in deutschen Datacenter verpufft zu 100%

Rechenzentren jagen das Geld zum Fenster raus

Die Energie in deutschen Datacenter verpufft zu 100%

12.07.16 - In Stockholm speisen schon 30 Datacenter ihre Abwärme in ein Fernwärmenetz - und bekommen Geld dafür. „Hier in Deutschland lassen wir uns die Klimatisierung etwas kosten und pusten die Wärme in die Atmosphäre, reden gerne über Klimaschutz und haben die höchsten Stromkosten in unter den Industrienationen“, so Energie-Experte Staffan Revemann. lesen

Statt dessen müsse man einschätzen, ob ein neuer Weg gangbar sei und ihn dann ausprobieren. „Wir müssen entscheiden, mit welchem Restrisiko wir zu leben bereit sind!“, forderte Popp und prognostizierte: „Luft wird als Kühlmedium zugunsten leitfähigerer Medien aus dem Rechenzentrum verschwinden.“ Ein niedriger PUE-Wert ändere schließlich nichts daran, dass Rechenzentren physikalisch Strom in heiße Luft umwandelten, die dann meist sinnlos verpuffe.

Auch Dr. Peter Koch, Vice President Solutions bei Vertiv, sah in Flüssigkühlung und Wärmerückgewinnung gute Perspektiven, allerdings hätten die bisherigen Flüssigkühl-Technologien durchaus ihre Haken gehabt - unter anderem hohe Preise, proprietäre Designs, zu schnell verdampfende Kühlmittel oder Öle als Kühlflüssigkeit, die den Umgang mit den IT-Komponenten zu einem schmierigen Vergnügen machen.

Sinnvoll sei es, nicht ausschließlich die IT zu betrachten, sondern die gesamte Wirkungskette, meinte Popp. Beispielsweise den energieverschwendenden Wechsel zwischen Gleich- und Wechselstrom, der technisch schlichtweg nicht erforderlich sei. Im Gegenteil ermögliche Gleichstromnutzung im Rechenzentrum die Direkteinspeisung von Solarstrom. Den gefürchteten Lichtbogen könne man inzwischen durch speziell dagegen geschützte Stecker ausschließen.

Notwendig sei es auch, die Entwicklungszyklen und Standzeiten einzelner Komponenten getrennt zu betrachten, also beispielsweise das Netzteil weiterzuverwenden, wenn die Server-IT ausgewechselt wird. Dass manchmal auch ein Detail erhebliche Effizienzgewinne bringen können, demonstrierte Popp anhand einer Drosselspule in einem Switch. Bei Austausch dieses Bauteils gegen ein anderes mit besserer Qualität habe zu großen Effizienzgewinnen bei gleichbleibendem Preis geführt. Helfen könne hier eine Einkaufspolitik, die sich stärker am TCO (Total Cost of Ownership) als am Preis orientiere.

Das Interesse an Effizienztechnologien wächst

Solche Botschaften scheinen Anwender durchaus zu erreichen: Die ersten Trends einer neuen Rechenzentrumsumfrage des Borderstep-Instituts, die Dr. Ralph Hintemann, Senior Researcher, präsentierte, zeigen, dass sich inzwischen nicht mehr nur eine Handvoll Anwender für Wasserkühlung und Wärmerückgewinnung interessieren. Das belegen auch die Präsentationen auf der Future Thinking und die auf der Kongressmesse prämierten Einreichungen zum Deutschen Rechenzentrumspreis.

Gleich mehrere Preisgekrönte beschäftigten sich mit dem Thema Wärmerückgewinnung: Den Publikumspreis holte das Konzept „ICT Performer“ von ICT Products, bei dem Peltier-Elemente die Abwärme gleich wieder in Strom fürs Rechenzentrum umwandeln sollen. In der Kategorie 1 (Ideen und Forschung) gewann das Institut für Technische Thermodynamik, Technische Universität Darmstadt, mit einem Konzept zur Nutzung der Rechnerabwärme durch Einspeisung in das Fernwärmenetz der TU. Dadurch soll der Bedarf an Heizenergie ab 2018 um 26 Prozent sinken.

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Freilich sind hier die Bedingungen besonders günstig, weil Rechenzentrum und Wärmenetz denselben Träger haben. Bei der Abwärmenutzung gerade größerer Rechenzentren ist häufig kein geeigneter Abnehmer entsprechender Mengen in der Nähe oder es müssen für viel Geld Wärmeträger-Leitungen zum Einspeisepunkt eines Fernwärmenetzes gebaut werden, wobei sich die Verhandlungen mit einem potentiellen Abnehmer der Wärme häufig komplex gestalten. In Ländern wie Dänemark, wo Fernwärme zum Standard vieler Quartiere gehört, haben Rechenzentrumsbetreiber es leichter.

Innovationen auf dem Rechenzentrumskongress

Was Darmstadt plant, wird in Stuttgart bereits umgesetzt: Das in der Kategorie 5 (Energie-effiziente RZ-Neubauten) prämierte Forschungs-Hochleistungsrechenzentrum (ForHLR) des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) fährt bei 45 Grad Temperatur und wird mit warmem Wasser gekühlt, anschließend heizt die Abwärme die Büros der Einrichtung. Dass so hohe Temperaturen nicht unbedingt schädlich fürs IT-Equipment sein müssen, scheint sich inzwischen zur Gewissheit zu verdichten.

Gleich mehrere Spezialisten betonten auf dem Kongress, dass vor allem ständige Temperaturschwankungen der IT zu schaffen machen, weniger eine höhere Temperatur als solche. Letztere haben den Vorteil, das Kühlwasser heißer aus dem System zu entlassen. Ab 55 Grad bringt es ausreichend Energie mit, um direkt in Heizkreisläufe eingebracht zu werden.

Niedrigere Auslasstemperaturen müssen, beispielsweise über eine Wärmepumpe, erst erhöht werden. Das bedeutet zumindest in Deutschland steuerrechtliche Probleme, weil Wärmepumpen teils doppelt besteuert werden: als Energieerzeuger und als Energieverbraucher.

Ein wasserführender Kühlkörper auf der gesamten Platinenoberfläche kennzeichnet die für Hot Fluid Computing vorbereiteten Komponenten von Thomas Krenn.
Ein wasserführender Kühlkörper auf der gesamten Platinenoberfläche kennzeichnet die für Hot Fluid Computing vorbereiteten Komponenten von Thomas Krenn. (Bild: Ariane Rüdiger)

Neue Flüssigkühl-Produkte für breitere Anwenderkreise

Eine Lösung, die ohne Wärmepumpe auskommt, ist das „Hot-Fluid Computing“ von der Thomas-Krenn AG. Der Hersteller präsentierte einen wasserführenden Cage in voller oder halber Schranköhe mit Pumpe, Wärmetauscher und Ausgleichsgefäß im hinteren Teil und, falls gewünscht, bürotauglicher Holzhülle für die Ästhetik. In das Gestell können auf Schienen bis zu acht mit einem speziellen Kühlkörper ausgerüstete Server-Platinen, Netzteile und Switches (Prototyp: Infiniband/Mellanox) eingeschoben und über einen gasdichten Wasseranschluss aus der Raumfahrttechnik automatisch an den Wasserkreislauf des Geräts angedockt werden.

Thomas-Krenn will immer mehr Komponenten mit Kühlkörper für Hot-Fluid Computing anbieten zu Preisen, die die Technologie breiten Anwenderkreisen zugänglich macht. Festplatten kann Thomas-Krenn aber noch nicht kühlen. Die ersten Implementierungen sind noch in diesem Jahr geplant.

Erstmals auf der CeBIT 2017 präsentierte Fujitsu sein Liquid Immersion Cooling. Eingetaucht werden die ganz normalen Hochleistungsrechner des Herstellers: „Primergy CX400 M2“ sowie das Storage-Device „Primergy JX40S2“.
Erstmals auf der CeBIT 2017 präsentierte Fujitsu sein Liquid Immersion Cooling. Eingetaucht werden die ganz normalen Hochleistungsrechner des Herstellers: „Primergy CX400 M2“ sowie das Storage-Device „Primergy JX40S2“. (Bild: Ariane Rüdiger)

Liquid Immersion Cooling von Fujitsu

Auch das brandneue Liquid Immersion Cooling von Fujitsu ermöglicht Flüssigkühlung für normale Rechner. Hier hängen die Platinen in der Inertflüssigkeit, die Betriebstemperatur beträgt 35 Grad und wird relativ konstant gehalten. Für Verkabelungs- und Wartungsarbeiten werden die Wannen bei Bedarf aus dem Gestell gezogen und die Deckel hochgeklappt, beispielsweise um Kabel anzubringen.

Das Wirkprinzip der immersiven Kühlung von Fujitsu: Es handelt sich um einen geschlossenen Kreislauf.
Das Wirkprinzip der immersiven Kühlung von Fujitsu: Es handelt sich um einen geschlossenen Kreislauf. (Bild: Fujitsu)

Ansonsten bleiben die Wannen geschlossen. Sie stecken in einem um zusätzliche Einheiten in der Länge erweiterbaren Gestell, in dem sich je zwei Wannen über- und nebeneinander montieren lassen. Bis zu 96 Festplatten und 32 Server mit je zwei CPUs passen in eine Wanne.

Die Kühlflüssigkeit kreist permanent zwischen einer Coolant Distribution Unit (CDU) mit redundant ausgelegten Komponenten wie Pumpe und Wärmetauscher und den Wannen. Von dort kann die Wärme per Wärmetauscher zum Beispiel von einem Heizkreislauf oder einer Wärmepumpe abgeholt oder mittels einer Adsorptionskältemaschine abgeholt werden, die beispielsweise nicht flüssig gekühlte Komponenten mit Kälte versorgt.

Die Adsorptionskältemaschinen von Invensor passen in jedes Rechenzentrum, nutzen Rechenzentrumsabwärme zum Kühlen und senken daher den Energiebedarf erheblich.
Die Adsorptionskältemaschinen von Invensor passen in jedes Rechenzentrum, nutzen Rechenzentrumsabwärme zum Kühlen und senken daher den Energiebedarf erheblich. (Bild: Ariane Rüdiger)

Die Adsorptionskältemaschine

Eine dazu passende Adsorptionskältemaschine zeigte Invensor. Die „LCe“ gibt es mit 10, 30 und 90 Kilowatt Kälteleistung. Eine Hydraulikeinheit ist integriert, die umgekehrte Nutzung als Wärmepumpe ist möglich. In einer speziellen Variante ist das Gerät auch für den Betrieb im Freikühlmodus vorbereitet. Ein neuartiger Mechanismus, „Activac“, entfernt überflüssige Gasmoleküle des Inertgases, so dass im Reaktor immer der nötige leichte Unterdruck herrscht. Deshalb muss der Reaktor nicht gewartet werden und ist hocheffizient.

Mit Wasser arbeitet der „eChiller“ von Efficient Energy, Preisträger in Kategorie 2, Kühlung und Klimatisierung. Die Kühleinheit nutzt als Kühlmittel Wasser, das schon bei niedrigen Temperaturen verdampft und so die Hitze aufnimmt, weil sein Druck herabgesetzt wurde. Dadurch verbraucht der Chiller etwa 80 Prozent weniger Energie.

Mini-Schwungrad statt Batterien

Kühlenergie einsparen kann auch, wer Komponenten weglässt, die normalerweise gekühlt werden müssen. Ein Beispiel dafür sind die Batteriebänke, die bei USV-Systemen normalerweise die Zeit bis zum Anspringen der Notstromanlage überbrücken sollen.

Weiß eingekleidet sticht das Schwungrad-Modul der Piller-USV hervor. Ddie gekapselte, rotierende Masse sorgt für mindestens 20 Sekunden Überbrückungsstrom bei RZ-Leistungen von 1,5 bis 2 MW. Die Kombi aus statischer und Schwungrad-USV wiegt rund 3 Tonnen, lässt sich aber gegebenfalls direkt neben der IT platzieren.
Weiß eingekleidet sticht das Schwungrad-Modul der Piller-USV hervor. Ddie gekapselte, rotierende Masse sorgt für mindestens 20 Sekunden Überbrückungsstrom bei RZ-Leistungen von 1,5 bis 2 MW. Die Kombi aus statischer und Schwungrad-USV wiegt rund 3 Tonnen, lässt sich aber gegebenfalls direkt neben der IT platzieren. (Bild: Ariane Rüdiger)

Piller ersetzt sie in seinem neuen USV-System „CPM“ durch eine rotierende Masse. Im normalen Betrieb hält der Stromfluss die Masse in Bewegung. Fällt der Strom aus, reicht das Drehmoment der Masse, um das voll ausgelastete Rechenzentrum 20 Sekunden lang in Betrieb zu halten, bei geringerer Auslastung auch länger. Dann ist hoffentlich der Generator angesprungen.

Batterien überbrücken zwar fünf Minuten und damit erheblich mehr Zeit, allerdings fahren Generatoren in der Regel innerhalb weniger Sekunden hoch. Ein gekühlter Batterieraum, der Umgang mit ätzenden Chemikalien und regelmäßige Wartungsdurchgänge entfallen damit.

* Ariane Rüdiger ist freue Journalistin und lebt in München.

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