Aufstockung so ökologisch wie möglich Das Höchst­leistungs­rechen­zentrum Stuttgart (HLRS) bekommt eine Erweiterung

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Das Höchstleistungsrechenzentrum in Stuttgart platzt aus den Nähten. Im neuen Jahr beginnt der Bau von Erweiterungen. Die geplanten Gebäude und Rechenanlagen sollen technische Höchstleistung mit ökologischer Brillianz verbinden. Eine Schlüsselrolle spielt dabei die Abwärmenutzung.

Das Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart (HLRS) liefert seit 1996 Rechenleistung für Wissenschaft und Industrie. Derzeit besteht es aus zwei Infrastrukturblöcken: dem 2004 errichteten HLRS I und dem HLRS II aus dem Jahr 2012.

Das HLRS I zielte auf eine Maximalleistung von 1 MW IT-Power. Abgesichert wird es durch 860 Kilowatt (kW) batteriegestützte UPS.

Die luftgekühlten Systeme arbeiten mit einer Einlasstemperatur von 14 und einer Rücktemperatur von 22 Grad Celsius. Die Hälfte der Kühlaufgaben leisten Trockenkühler auf dem Dach, die andere die Fernkälteversorgung des Universitätsgeländes.

Schon erster Erweiterungsbau setzt auf Energie-Effizienz

Das HLRS II ist für 4 MW IT-Power entworfen. Es hat eine dynamische USV, also Schwungrad-Technik, als Notstromquelle, das 3.600 kW leistet. Die IT-Systeme werden mit Wasser gekühlt.

Die Eingangstemperatur liegt bei 25, die Ausgangstemperatur bei 35 Grad und mithin 13 Grad höher als bei den älteren Systemen. 90 Prozent der benötigten Kühlleistung wird mit Feuchtkühltürmen erzeugt.

Dabei legte die Universität bereits seit 2011 Wert darauf, die Rechenzentren möglichst nachhaltig zu gestalten. Im August 2015 wurden die ersten Nachhaltigkeitsrichtlinien für das HLRS verabschiedet, im folgenden Jahr der erste Nachhaltigkeitsbericht.

Dann folgten einschlägige Zertifizierungen. Unter anderem ist das HLRS in Stuttgart eines der wenigen Rechenzentren, die für die bestehenden Einrichtungen 2020 mit einem Blauen Engel für Energie-effizienten Rechenzentrumsbetrieb ausgezeichnet wurden.

HLRS III: Ausbaupläne seit 2017

Beide Infrastrukturen, das zeigte sich bereits 2017, würden bald an Grenzen stoßen. Deshalb begann die Rechenzentrumsleitung schon weit im Vorfeld, mit der Universität über die Notwendigkeit einer neuen Anlage zu verhandeln. Diese entsteht nun ab Januar 2025 als HLRS III.

Die Inbetriebnahme soll im Juni 2027 erfolgen. „Wir werden die Rechner aber wohl schon etwas früher im Gebäude montieren“, sagt Bastian Koller, Geschäftsführer des HLRS.

Neubau erforderlich

Die neue Infrastruktur benötigt aus Platzgründen und wegen schräger Grundstücksgrenzen zwei Gebäude: einmal das Datacenter, einmal das Gebäude. Dort sind vier Wärmepumpen untergebracht.

Diese sind nötig, um die Abwärme auf das Niveau zu heben, was das Universitäts-Wärmenetz benötigt. Sie werden auch von diesem betrieben und gewartet. Die Datacenter-Kühlanlagen für die Zeiten ohne Abwärmenutzung sind aber im Rechnergebäude untergebracht.

Das neue Rechenzentrum ist auf 8 MW Leistung ausgelegt. Die mittlere Auslastung wird mit 60 bis 65 Prozent veranschlagt.

Das Rechenzentrum erhält 600 kW Batterie-Backup und eine Schwungrad-USV mit der Leistung von 7.400 kW als kurzfristige Notstromquelle. Das Batteriesystem kann 15 Minuten überbrücken, das dynamische System schafft 15 Sekunden Überbrückungszeit.

Breiter Anwenderkreis

Die Rechenleistung wird wissenschaftlichen und industriellen Kunden zur Verfügung stehen. Dazu kommen Kunden aus dem öffentlichen Bereich.

Bei einer kommerziellen Nutzung werden sämtliche Überschüsse wieder in das Rechensystem investiert. Denn das HLRS als Universitätseinrichtung arbeitet nicht gewinnorientiert.

Das bedeutet: rund 5 MW Abwärme plus derer von weiteren Aggregaten (Elektroversorgung, Kältemaschinen). Dazu kommen 700 kW aus den bisherigen Rechenzentren. Die Wärmepumpen machen daraus 9,5 bis 10 MW.

Strom kommt aus dem Heizkraftwerk

Die Stromversorgung übernimmt das Heizkraftwerk der Universität. Dabei wird Mittelspannung bei 10 Kilovolt (kV) redundant verteilt. Das Rechenzentrum selbst arbeitet bei 230 V / 400 V.

Brennt es im Rechenzentrum, löscht eine an ein Rauchansaugsystem (RAS) gekoppelte Stickstofflöschanlage. Ansonsten gibt es eine direkt mit der lokalen Feuerwehr verschaltete Brandmeldeanlage.

Das neue Rechnergebäude ist für eine PUE von 1,17 konzipiert. Der ERF (Energy Reuse Factor) soll bei 0,75 liegen, also rund 75 Prozent betragen. Der Wasserverbrauch der Trockenkühler ist mit 2.500 Kubikmeter jährlich geplant.

Umfassende Abwärmenutzung

Eine möglichst umfassende Abwärmenutzung durch die Universität war von Anfang an Teil der vorgesehenen Nachhaltigkeitskonzepte. Dazu gehören auch 1-000 Quadratmeter Photovoltaik für den Eigenverbrauch auf dem Dach und an der Fassade.

Ein weiterer Nachhaltigkeitsbaustein ist die partielle Holzbauweise: Die Decke des Rechenzentrums und die Büroräume werden aus Holz gebaut. „Gegenüber einem Gebäude ganz aus Holz gab es Sicherheitsbedenken“, sagt Koller.

Das Kühlsystem im Rechnerraum kombiniert flüssig gekühlte HPC-Systeme und primär luftgekühlte Subsysteme. Sie stecken in gekapselten Racks mit In-Row-Kühlern. Speicher, Netzkomponenten und die Wärmeverluste des DLC-Racks, zusammen 450 W, werden mit Umluft gekühlt.

Kühlwasser wird wärmer

Der Warmwasserkreislauf liefert im Vorlauf 32 und im Rücklauf 42 Grad Celsius. Angepeilt werden im Betrieb 40 Grad Vorlauf und 50 Grad Rücklauf. Dafür gab es allerdings während der Planung auf dem Markt noch nicht durchgängig geeignete Ausrüstung.

Die Umluftkühlung wird durch einen Kaltwasserkreislauf mit 18 Grad Vorlauf und 24 Grad Rücklauf erzeugt. Der Kühlkreislauf arbeitet mit wassergekühlten Kohlendioxid-Kältemaschinen. Letztere werden wiederum durch den Warmwasserkreislauf mit den oben angegebenen Parametern gekühlt.

Der Warmwasserkreislauf läuft entweder über die schon genannten auf dem Dach installierten Adiabatik-Kältemaschinen oder das warme Wasser landet direkt in der Abwärmezentrale. Auch Teilabgaben der Abwärme sind möglich.

Im Sommer soll die Abwärme den Wärmebedarf des Campus Vaihingen komplett decken, im Winter im Mittel zu 40 Prozent. Ein kleiner Teil fließt in die Heizung der HLRS-III-Gebäude, der Rest ins Fernwärmenetz der Uni. Das arbeitet mit 85 Grad Celsius, weshalb die Wärmepumpen erforderlich sind. Für eine direkte Abwärmenutzung müssen erst die nötigen Leitungen gebaut werden.

Direkte Abwärmenutzung in Arbeit

Über den genauen Ablauf der Umstellung auf direkte Abwärmenutzung läuft derzeit eine Machbarkeitsstudie. Denn das verlangt auch Veränderungen an der bisherigen Campus-Heizungsinfrastruktur und an den Gebäuden.

Die Trockenkühler auf dem Dach, die es trotz Abwärmenutzung geben soll, sind unter anderem für einzelne Betriebsphasen auf dem Campus nötig, etwa wenn Großaggregate wie Prüfstände oder Windkanäle in der Universität arbeiten. Dann muss die Abwärmezentrale mit der Wärmepumpe ihren Strombedarf reduzieren, damit nicht zu viel teurer Netzstrom gekauft wird. Geplant ist, die gesamte Kühlleistung auch übers Dach bereitstellen zu können.

Die Lärmentwicklung der Kühlanlage betragt unter 45 dB (A) und ist damit gering. Das liegt auch an den Kohlendioxid-Kältemaschinen. Diese können innerhalb des Gebäudes platziert werden und sind so außerhalb deutlich leiser als ihr Propan-Pendant.

Im Vorfeld wurde dieses Konzept im Rahmen einer Bürgerbeteiligung der Bevölkerung präsentiert. Änderungswünsche und Ärger gab es keinen. Im Gegenteil: Von den Beteiligten kamen fast nur positive Rückmeldungen. Die Beteiligungsverfahren laufen weiter, beispielsweise um Verkehrsbehinderungen wegen des Baubetriebs zu informieren.

Perspektive Blauer Engel

In dem Investitionsprojekt werden am Ende, wenn alles nach Plan läuft, rund 130 Millionen Euro stecken. Darin sind allerdings die nötigen Versorgungskanäle enthalten.

Nach Abschluss der Bauarbeiten soll das HLRS auch wieder einen Blauen Engel erhalten. Den hat es derzeit nämlich wegen der Veränderungen in den Zertifizierungsvorgaben nicht mehr. „Wir sind aber schon an der Arbeit, uns den Blauen Engel wieder zu holen und auch sehr überzeugt, dass wir das schaffen“, sagt Koller.

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