Geothermie: Die Datacenter-Praktiker stehen auf alternative Kühlung Die Gewinner des Deutschen Rechenzentrumspreis stehen fest

Redakteur: Ulrike Ostler

Am 7. April 2011 bekamen sechs der Anwärter auf den Deutschen Rechenzentrumspreis diese Auszeichnung verliehen. Es gab vier Kategorien: 1. „Visionäre Rechenzentrumsarchitektur“, 2. „Innovative Rechenzentrums-Anwendungen“, 3. „Innovative Rechenzentrums-Produkte“ und 4. „Ideen und Forschungen rund um das RZ“. Juroren suchten vier Gewinner aus, das Fachpublikum der Kongressmesse „Future Thinking“ die zwei anderen.

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Wie baut, kühlt und betreibt man heute ein Rechenzentrum Energie-effizient? Das ist die Frage, die die Bewerber für den Deutschen Rechenzentrumspreis beantworten mussten. Bild: Thomas Hartl
Wie baut, kühlt und betreibt man heute ein Rechenzentrum Energie-effizient? Das ist die Frage, die die Bewerber für den Deutschen Rechenzentrumspreis beantworten mussten. Bild: Thomas Hartl
( Archiv: Vogel Business Media )

Einen Preis heimste Thomas Hartl für sein Projekt „Colodock – ein futuristisches RZ-Konzept“ ein. Das von ihm entworfene Rechenzentrum gestaltet sich modular und Energie-effizient.

Das Datacenter gliedert sich in zwei Hauptabschnitte (siehe: Abbildung 1): Das Versorgungsgebäude, das alle relevanten Einrichtungen bietet und als Kühlturm fungiert, und die System-Container. Die Gebäudebelüftung, die ab einer niedrigen Außentemperatur das gesamte Rechenzentrum durchfluten soll, in Kombination mit möglichst kurzen Wegen für Mensch und Technik, haben die Bauform beeinflusst.

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Die standardisierten See-Container, die Hartl einplant, erlauben im Zusammenhang mit der Gebäude-Technik eine Stellfläche bis zu 336 Units, bei einer Höheneinheit von 19´´.

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RZ-Anwendungen

Den Wettbewerb in der Kategorie 2, RZ-Anwendungen, holte sich APC by Schneider Electric mit „Eco Breeze IEC“, ein modulares indirekt-adiabatisches Kühlungssystem für Rechenzentren (siehe: Abbildung 2 und 3). Das System nutzt die APC-Warmgang-Einhausung, die über ein Luftkanalsystem mit dem zu installierenden Kompakt-Klimagerät verbunden wird. Die Zuluftführung erfolgt über den Doppelboden.

Die Warmgang-Einhausung wird von APC bereits jahrelang eingesetzt, um High-Density-Bereiche zu kühlen. Die adiabatische Kühlung wurde laut Anbieter bereits von den Römern genutzt. Zur Abfuhr mittlerer Wärmelasten im Bereich von etwa 1 bis 8 Kilowatt pro Rack lag laut APC die Kombination beider Techniken auf der Hand.

Die Lösung sollte somit ein kompaktes und robustes Klimasystem mit einer Gesamtleistung von 50 bis 400 Kilowatt sein, das sich auf Wunsch in das „ISX-Central-Management“ des Herstellers integrieren lässt.

Eco Breeze IEC erlaubt drei Betriebsarten:

  • 1. Bei kalten Außentemperaturen wird die über 35 Grad warme Rechenzentrums-Luft über einen Luft-Luft – Kreuzstrom-Wärmetauscher gekühlt. Der Wärmetauscher trennt die Luftströme. Somit werden die Vorteile einer effektiven freien Kühlung genutzt und Nachteile der direkten freien Kühlung ausgeschlossen.
  • 2. Reicht die reine Außenluft nicht zur Kühlung, wird sie vor Eintritt in den Wärmetauscher durch Sprühdüsen mit Wasser benetzt. Dabei kühlt sich die Außenluft auf Feuchtkugeltemperatur ab und lässt sich damit auch bei hohen Außentemperaturen zur Kühlung der warmen Rechenzentrums-Luft heran ziehen. Bei winterlichen Temperaturen sowie zeitgesteuert wird das Zirkulationswasser entleert. Eine chemiefreie Wasseraufbereitung ist im Gerät integriert. Der Effekt: In über 8.000 Stunden pro Jahr arbeitet Eco Breeze zu 100 Prozent ohne Kompressor-Kühlung.
  • 3. Bei Bedarf lässt sich eine drehzahlgeregelte Direkt-Verdampfer-Kältemaschine zuschalten.

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Brenntsoffzelle liefert Brandschutz

Der Gewinner in der dritten Kategorie Rechenzentrums-Produkte ist die N2telligence GmbH mit „Quattro Generation“ (siehe: Abbildung 4 und 5). Dabei handelt es sich um ein Brennstoffzellensystem, das vier Produkte in einem bietet: Strom (100kW), Wärme (50kW), Klimakälte (35kW) und ein Brandschutzkonzept. Dadurch ist das Produkt das erste Brandschutzsystem mit einem Return on Invest.

Dieses schafft durch die Nutzung der Prozessluft der Brennstoffzelle für Rechenzentren eine Schutzatmosphäre durch Sauerstoffreduzierung, in der ein Feuer nicht entstehen kann. Doch die Begehbarkeit bleibt erhalten. Trotzdem eignet sich der Brandschutz auch für große Rechenzentren mit mehreren 1000 Kubikmeter Volumen.

Zudem ist das System ist Erdgas- oder Biogas betrieben. Es kommt auf einen energetischen Wirkungsgrad von über 80 Prozent.

Die Idee kommt aus dem Flugzeugbau

Durch das Produkt wird der Betrieb eines Rechenzentrums effizienter und sicherer zugleich. Mit nur einem System Quattro Generation lassen sich nach Berechnungen des Anbieters bis zu 800 Tonnen CO2 pro Jahr einsparen.

Darüber hinaus ist das System modular aufgebaut, so dass es auf Kundenwünsche und spätere Raumveränderungen angepasst werden kann.

Die Erfinder, Lars Frahm und Andreas Exler, erläutern: „Das Ziel war die Entwicklung eines stationären Brennstoffzellensystems zur Energieerzeugung und zum Brandschutz, welche Anfang 2010 erfolgreich abgeschlossen werden konnte. Die erste Idee zur Sauerstoffreduzierung mit einer Brennstoffzelle kam uns allerdings im Jahre 2005 zum Brandschutz im Flugzeug. Das enorme Potential dieser Idee für die stationäre Anwendung wurde schnell ersichtlich und führte 2006 zur Gründung der N2telligence GmbH, zu 100 Prozent privat).

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RZ-Anwendungen

Offis – Institut für Informatik ist der Gewinner der vierten Kategorie: „Ideen und Forschungen rund um das RZ“. Zu der Idee führten folgende Überlegungen: Zwar ist Last-Management seit Jahren ein gefragtes Thema. Doch zunächst ging es nur innerhalb eines Clusters um die Verteilung auf verschiedene Server mit dem Ziel der Geschwindigkeitsoptimierung.

Erst durch den Anstieg des Energiebedarfs der RZ sowie durch steigende Energiepreise verschob sich der Fokus von reiner Performanz auf Energie-Effizienz. Damit einher kam der Einzug der Virtualisierung in RZ, welche das Hauptproblem – die schlechte Server-Auslastung – in Angriff nahm.

Sie wird seitdem in vielen RZ angewandt, birgt aber noch ein enormes Optimierungspotential in sich. Dieses Potential haben die Forscher unter der leitung von Professor Wolfgang Nebel versucht, auszuschöpfen. Bereits vorhandene Last-Management-Konzepte wurden analysiert.

Dabei wurde klar, dass für eine möglichst optimale Ausnutzung der Server Vorhersagen des Ressourcenbedarfs notwendig sind. Offis entwickelte ein erstes Verfahren, das für typische Server-Dienste gute Ergebnisse liefert.

Das Team identifizierte zudem Parameter, die für ein Management eines RZ entscheidend sind und wie man diese nutzen kann, um den Betrieb effizienter zu gestalten: Energetisch signifikante aber variierende Standortparameter, wie Außentemperatur und Energiepreis, durch RZ-über- greifendes proaktives LPM zu nutzen, ist somit, laut Offis ein logisch konsequenter Schritt.

Die Idee

Die Idee des RZ-übergreifenden zweistufigen LPM besteht darin, virtualisierte Dienste dynamisch auf die Server verteilter RZ zu migrieren, so dass eine Energie- und Kostenoptimierung vorgenommen wird. Einerseits soll jedes RZ für sich betrachtet eine Optimierung der Server-Nutzung und eine entsprechende Anpassung der Kühlung und Energieversorgung durchführen, mit dem Ziel ungenutzte Ressourcen temporär abzuschalten.

Zu diesem Zweck sollen durch Analysen der aktiven Server-Dienste Vorhersagen über die zukünftige Entwicklung der Auslastung gemacht werden, welche dann für ein proaktives – und somit effizientes – Management verwendet werden.

Andererseits soll darauf aufbauend eine Optimierung eines gesamten RZ-Verbunds unter Berücksichtigung standortspezifischer variierender Parameter durchgeführt werden. Zu diesen Parametern gehören etwa Wetterdaten.

Das Vorgehen: Zunächst bewertet das Management für einen gewissen Zeitraum die vorerst nur lokal optimierten RZ des Verbunds auf Basis der Standortparameter. Die ermittelte Priorisierung bezüglich der Energieeffizienz bestimmt somit das Ziel für die Migration der Dienste. Haben die Dienste die Ziel-RZ erreicht, werden sie nun lokal erneut möglichst optimal auf die Server verteilt. Absehbar nicht genutzte Server werden in einen stromsparenden Ruhezustand gefahren.

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Die Publikums-Preise

Die Besucher der Kongressmesse kürten zwei Geothermie-Projekte zu ihren Lieblingen. In der Kategorie 2 gewann die Rittal GmbH & Co. KG (siehe: Abbildung 6 und 7). Michael Nicolai, Direcor International Project & Product Support bei Rittal, bedankte sich seinerseits bei der Brunnenbaufirma Celler. Geplant hat das Rechenzentrum Delta Plus Datensysteme.

Denn die Grundidee ist die Nutzung von Geothermie-Sonden zur Abführung der in Rechenzentren durch die Server produzierten Wärmelast. Dabei steht nicht nur eine Kühlung auf festgesetzte Parameter im Vordergrund, sondern die bedarfsgerechte Kühlung des Server-Equipment.

Die Festlegung der Pumpenleistung zur Förderung der benötigten Medium-Menge an die Verbrauchsstelle erfolgt durch aktive Kommunikation aller Geräte untereinander. Aus der geschätzten Verlustleistung – die Ermittlung geschieht über den Energieverbrauch der Server – und des tatsächlich notwendigen Kühlbedarfs ermittelt der Master-Controller die entsprechenden Führungsgrößen, mit denen die Regel-Algorithmen versorgt werden.

Rittal setzt auf ständige Korrekturen

Eine ständige Rückführung der Werte erlaubt die bedarfsgerechte Kühlung der Server. Sollte zum Beispiel am Wochenende die Rechnerleistung gesamt oder auch nur punktuell sinken, werden die Aktoren der Kühlung entsprechend ausgesteuert, um ständig eine optimale Energieeffizienz erreichen zu können.

Zum Hintergrund des Projekt bei erläutert Dahmer: „Durch die rasant gestiegenen Energiekosten und unter Berücksichtigung des Umweltgedankens musste nach alternativen Kühlungs- oder Kälteerzeugungswegen gesucht werden. Da IT-Kühlequipment in den meisten Fällen aus aktiven und kommunikativen Komponenten besteht, lag die Idee nahe, die Geräte auf Basis einer homogenen Sprache miteinander zu vernetzten. Als letzter Schritt mussten dann noch verbrauchsoptimierende Algorithmen zur Anwendung gebracht werden.

BM Green Cooling

Einen lautstarken Ausbruch der Freude über den weiten Publikumspris erlebten die Anwesenden bei BM Green Cooling. Marc Siggelow realisierte den Wunsch eines Kunde, der die Geothermie für die Kälterzeugung nutzen wollte (siehe: Abbildung 8 und 9).

Im Gegensatz zu herkömmlichen Klima-Anlagen, die heute in Rechenzentren eingesetzt werden, verzichtet die geothermische Lösung komplett auf eine maschinelle Kälte-Erzeugung: Die Kühlung erfolgt stattdessen mit Hilfe von Kaltwasser/Glykol, das über einen geschlossenen Rohrleitungssystem bis in eine Bodentiefe von rund 99 Metern geführt wird.

Das Erdreich hat in dieser Tiefe eine konstante Temperatur von 9 bis 14 Grad. Zwei redundant arbeitende Zirkulationspumpen befördern das Kaltwasser/Glykol durch das Rohrsystem.

Ruhepausen für das Erreich eingeplant

Hierbei können relativ hohe Vorlauftemperaturen zum Einsatz kommen. Je nach Projekt wird zusätzlich ein großzügig dimensionierter „FreeCooler“ im Außenbereich installiert. Dieser übernimmt in den drei kältesten Monaten des Jahres die Kaltwassererzeugung durch indirekte freie Kühlung.

Die Ruhephase der Geothermie- Anlage verhindert, dass dem Erdreich dauerhaft zu viel Wärme zugeführt wird. Die 3-monatige Winterpause gibt dem Erdreich Zeit, sich zu entspannen.

Das System kann außerhalb des Taupunktes betrieben werden, so dass kein Kondensat anfällt. Innerhalb des Systems sind nur wenige mechanische Bauteile installiert, die die Anlage robust und ausfallsicher machen.

Der Einsatz der Geothermie eignet sich für Kälteleistungen zwischen 15 Kilowatt und 80 Kilowatt. Größere Anlagen sind nur in Kombination mit Wärmepumpen sinnvoll.

Noch mehr Bilder:

DataCenter-Insider war bei der Verleihung des Deutschen Rechenzentrumspreis dabei. Sie finden die Eindrücke vom Tag, Impressionen vom Veransatltungsort, dem technik-Museum Sinsheim, sowie Fotos der Gewinner in der Bildergalerie Deutscher Rechenzentrumspreis.

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