Irgendwas geht immer Beispiele für pfiffige, effiziente Kühlung im Datacenter

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Rechenzentren müssen sich wegen des EnEfG (Energie-Effizienzgesetzes) neuen Forderungen hinsichtlich der Effizienz ihrer Kühlung anpassen. Doch das geht – schon heute. Ein Blick auf Anforderungen und Lösungsmöglichkeiten.

Das neue Energie-Effizienzgesetz (EnEfG) wurde zwar hinsichtlich der ökologischen Anforderungen an Rechenzentren erheblich entschärft. Dennoch wird sich auch dank anderer Vorschriften einiges ändern müssen – zumindest bei größeren Rechenzentren und mittelfristig.

So müssen jetzt nur noch Datacenter ab 300 Kilowatt (kW) Nennleistung und 7,5 Gigawattstunden (GWh) Gesamtenergieverbrauch bis Juli 2025 ein EMAS (Umwelt-Management-System) einführen, was etwa zehn Prozent der 50.000 deutschen Rechenzentrumsanlagen betrifft. Die Eintrittstemperatur bei Luftkühlung für Alt-Datacenter liegt ab kommenden Januar bei 24 Grad und bei dann in Betrieb genommenen Rechenzentren bei 27 Grad. Altrechenzentren müssen die 27 Grad erst Anfang 2028 erreichen. Außerdem sind 50 Prozent Grünstrom gefragt, ab Januar 27 dann 100 Prozent.

Die neuen PUE-Vorgaben

Der PUE muss bei Rechenzentren, die vor Juli 26 in Betrieb gehen ab Juli 26, einen Wert von 1,5 erreichen. Bei Rechenzentren, die dann starten, muss er innerhalb von zwei Jahren 1,2 oder weniger betragen. Bestandsrechenzentren müssen erst im Juli 2030 auf maximal 1,2 PUE herunter.

Außerdem müssen neue Datacenter 10 Prozent ihrer Energie oder mehr zur Wiederverwendung bereithalten. Ab Januar 27 sind es 15 Prozent, ab Januar 28 dann 20 Prozent. Ist kein Abnehmer da, entfällt die Anforderung. Alt-Datacenter sind von der Anforderung nicht betroffen. Die Branche murrt jetzt weniger, aber noch immer, vor allem über die abgesenkte PUE bei Neu-Datacenter.

Kühlmittel: Neu-Entwicklungen überwiegend nutzlos

Dazu kommen deutliche Verschärfungen bei Kühlmitteln. Die halogenhaltigen, klimaschädlichen Fluor- und Fluorchlorkohlenwasserstoffe werden bis 2030 außer Dienst gestellt.

Eberhard Knödler sagt: „Und mehr oder weniger alle neu entwickelten Kühlmittel ohne oder mit geringem Treibhauseffekt darf man plötzlich nicht mehr einsetzen, weil es sich um schädliche, sich in der Umwelt anreichernde PFAS (Polyfuoralkalysubstanzen).“ Er ist Geschäftsführer von BM Green Cooling, einem Spezialisten für innovative Kühllösungen mit rund 30 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern.

EnEffG schon heute umsetzbar

Doch die genannten Anforderungen lassen sich bereits heute erreichen. Das belegte sein Vortrag zu Green Cooling auf der Kongressmesse „DTM Netforum“ heuer in Bregenz.

Freilich geht das nicht im Nullachtfünfzehn-Verfahren von der Stange. Energie-effiziente Lösungen erfordern vielmehr ein sensibles Eingehen auf die jeweils individuellen Bedingungen des Rechenzentrums und seiner Umgebung.

Hohe Einsparpotentiale

Ob man am besten eine Kompressorkühlung weitgehend optimiert, eine kompressorlose Lösung realisieren kann, ob und wie die Abwärme genutzt wird, lässt sich nur im Einzelfall entscheiden. Und auch natürliche Kältemittel gibt es mit Propan oder Kohlendioxid durchaus.

Das hat messbare Wirkungen auf das Einsparungspotential. Buchstäblich Hunderttausende Euro sind drin, wenn Eingangstemperaturen erhöht und damit Kompressorlaufzeiten verringert werden.

Als Beispiel für ein effizient gestaltetes Rechenzentrum führte Knödler ein hochverfügbares Bestands-datacenter mit geplanter Abwärmenutzung an. Dort realisierte BM Green Cooling eine Lösung mit vier MW Kühlleistung.

In einem Bereich wird bereits das natürliche Kältemittel Propan R290 eingesetzt. In einem Abschnitt des Rechenzentrums arbeitet direkte freie Kühlung, die für 90 Prozent des Jahres ausreicht, in einem anderen eine optimierte indirekte freie Kühlung, die 80 Prozent des Jahres läuft. Erst dann müssen Kompressoren in Aktion treten.

Abwärme heizt hundert Büros und zusätzlich Wohnungen

Das Rechenzentrum liefert 1 MW Abwärme für ein komplettes Bürogebäude mit etwa 100 Büros und Wärme für 150 Wohnquartiere, die in der Nähe entstehen. Der Betrieb läuft durch optimiertes Messen, Steuern, Regeln und Überwachen operatorlos.

Das Rechenzentrum fährt mit relativ hohen Temperaturen und die vorhandene Fußboden-Niedertemperaturheizung kommt mit geringen Eingangstemperaturen zurecht. Das heißt, dass die verwendete Wasser-Wasser-Wärmepumpe nur einen Temperaturhub von wenigen Grad realisieren muss. Der Lohn: Eine Jahresarbeitszahl (JAZ) von bis zu 7. Aus einer kWh Strom-Input werden so 7 kWh Wärme.

Thermischer Speicher aus Milchtanks

Manchmal, so Knödler, müsse man ganz einfach einfallsreich sein. Er setzte beispielsweise in einem anderen von seinem Unternehmen geplanten und realisierten Hochenergie-Effizienz-Rechenzentrum 300 Kubikmeter unterirdischen thermischen Speicher ein. Durch die unterirdische Lagerung erwärmt sich das Kühlwasser auch bei großer Hitze nur sehr langsam.

Dort ruht das Kühlmedium, bis es wieder gebraucht wird. Die Datacenter-Eingangstemperatur ist relativ hoch, die Kälte-Erzeugung findet meist nachts statt.

Das Interessanteste an dem Projekt: Die unterirdischen Tanks sind alte Milchtanks. „Die Tanks der Nahrungsmittelindustrie müssen aus hygienischen Gründen sehr frühzeitig ausgemustert werden, und das ist für sie eine ideale Zweitverwertung.“ Die Lösung kostete den Kunden nur rund 100.000 Euro – eine konventionelle, gleich wirksame Variante wäre laut Knödler sehr viel teurer gekommen.

Viel hält Knödler auch von indirekter adiabatischer Kühlung, wie sie seine Firma mit der IAC-Produktfamilie realisiert. Sie reicht von 50 bis 220 kW Kühlleistung.

Dabei wird das Wasser von oben auf das Kühlaggregat getropft. In diesem fließt ein Strom adiabatisch gekühlter Kaltluft im Wärmetauscher an der heißen Datacenter-Abluft vorbei. Von Sprühlösungen habe man sich wegen verschiedener Nachteile verabschiedet.

Optimierte Hybridkühler

Aber auch mit optimierten Hybridkühlern lässt sich eine komplett kompressorlose Anlage realisieren, wie ein weiteres Projekt beweist. Hierbei sollte ein Rechenzentrum realisiert werden, das den Output einer bestehenden Solaranlage im zweistelligen MW-Bereich auf dem Gelände des Datacenter verwertete.

Dies gelang, indem die Außenluft mit kaltem Brunnenwasser besprüht wird und so die nötige Vorlauftemperatur von 25 Grad erreicht. Das Kühlwasser fließt in eine aktiv gekühlte Rücktür an den Racks. Die Server werden mit 28 Grad warmer Zuluft versorgt, die sich dann weiter erwärmt und anschließend durch die Rücktür gekühlt wird.

Brunnenwasser: Nicht überall verfügbar

Brunnen- oder Flusswasser sei, so Knödler, eine Kühlressource mit Potential. Sie berge allerdings wegen der erforderlichen Genehmigungen für Brunnenbohrungen, absinkender Grundwasserspiegel wegen des Klimawandels und anderer Faktoren durchaus auch Tücken.

Gerade wenn aber ein Abnehmer für das erwärmte Abwasser des Rechenzentren verfügbar sei, lohne es sich in dafür günstigen Gegenden, an eine solche Lösung zu denken. Beispielsweise kann das erwärmte Abwasser genutzt werden, um Produktionsprozesse mit niedrigkaloriger Prozesswärme zu versorgen, wo die gefragt ist.

Geothermie als Kühlressource

Auch Geothermie eröffnet interessante Kühlpotentiale. In dem von Knödler augeführten Beispiel wird das kalte Wasser in einem Sondenfeld gewonnen und kühlt die vom Freikühler angesaugte Luft auf die Vorlauftemperatur von 18 Grad, falls das erforderlich ist. Die Rücklauftemperatur liegt bei 24 Grad, wobei das Wasser im Sondenfeld rückgekühlt werden kann.

Dabei ergaben sich übers Jahr 7.000 Stunden kompletter Freikühlbetrieb, reiner Sondenbetrieb in 332 Stunden, ein Mischbetrieb von Frei- und Sondenkühlung für 550 Stunden. Als Rückkühler musste das Sondenfeld nur in 878 Stunden dienen, also rund 10 Prozent der jährlichen Betriebsdauer.

Dabei erreichte das betroffene Rechenzenrum eine PUE von 1,09. Die 'weggekühlte' Wärmelast beträgt 50 kW. Es werden durch diese Lösung ohne Kompressor 68.000 Kilo Kohlendioxid und 30.000 Euro jährlich eingespart.

Angesichts dieser Daten und Erfahrungen empfiehlt Knödler: „Datacenter-Betreiber sollten die steigenden rechtlichen Anforderungen nicht nur als Risiko, sondern auch als Chance begreifen.“

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