Fix und fertig: Management, Hardware, Kühlung und Kabel

Effizientes Energie-Management mit modularen Edge Datacenter

| Autor / Redakteur: Anna Kobylinska und Filipe Pereira Martins* / Ulrike Ostler

Der Energiehaushalt in Edge Datacenter ist zu hoch und die Industrie ist sich einig, die Digitalisierunge erfordert einige davon. Es gibt also einiges zu vebessern - Wer kegeln will, muss aufsetzen.
Der Energiehaushalt in Edge Datacenter ist zu hoch und die Industrie ist sich einig, die Digitalisierunge erfordert einige davon. Es gibt also einiges zu vebessern - Wer kegeln will, muss aufsetzen. (Bild: gemeinfrei: Karla Rivera auf Unsplash)

Das Energie-Management von Edge-Rechenzentren stellt ihre Betreiber vor ganz besondere Herausforderungen. Mit Ansätzen wie die adiabate Kühlung gehen auch die Anbieter neue Wege — frei nach dem Motto: Wer kegeln will, muss aufsetzen.

Edge-Standorte haben sehr diversifizierte technische Eckdaten, nur eines haben sie alle gemeinsam: Das Energie-Management muss auf die Anforderungen punktgenau abgestimmt sein. Angesichts der dezentralen Natur der Local Edge und der hohen Fluktuation der verteilten Last gestaltet sich Letzteres nicht ganz so einfach wie es sich anhört. Für die Betreiber wie auch Anbieter gilt es, die Flucht nach vorne zu ergreifen.

Die Flucht nach vorne

Im Rahmen des Edge-Ausbaus würden Micro-Datacenter künftig zu „einer geschäftskritischen Erweiterung vorhandener Cloud-Rechenzentrumsarchitekturen“, sagt Michel Arres, Vice President Secure Power Division DACH and Benelux bei Schneider Electric GmbH, im Interview mit DataCenter Insider. Sie würden sowohl Latenzzeiten reduzieren als auch zusätzliche Redundanzen innerhalb einer hybriden Cloud-Umgebung schaffen. Der Betrieb dieser Anlagen hat das gewisse Etwas.

„Da Local-Edge-Rechenzentren über mehrere Standorte verteilt sind, stellen sie gerade in Sachen Management und Operations eine große Herausforderung dar“, argumentiert Arres. Dies betreffe sowohl die Fehlersuche als auch den Service, Wartung und Reparatur. Darüber hinaus werde der Energieverbrauch in einem großen Edge-Verbund schnell zu einem „elementaren Kostenfaktor“.

„Ein Energieverbrauch von 10 Kilowatt pro Standort summiert sich bei 100 Standorten schnell zu einem jährlichen Verbrauch von 1 Megawatt“, rechnet Arres vor. „Das entspricht in etwa einer Stromrechnung von rund einer Million Euro pro Jahr“, resümiert er. Deshalb sollten Betreiber auch bei der Planung von Mikrorechenzentren die zu erwartenden Betriebskosten berücksichtigen, rät er. Die grundlegende Herangehensweise ist also nicht viel anders als bei den großen Rechenzentren.

Je kleiner, desto feiner?

Die ersten Generationen von Edge-Rechenzentren mussten ohne redundante Energie- und Kühlinfrastruktursysteme auskommen und ein hohes Potenzial für Betriebsausfälle in Kauf nehmen. Denn wo die dedizierte Kühlung fehlt, ist die IT-Ausrüstung auf die Gnade der Gebäudekühlung angewiesen. Wenn die Verfügbarkeit eines Edge-Rechenzentrums von der Zuverlässigkeit externer Ressourcen abhängt, die sich weder fernsteuern noch fernüberwachen lassen, sind Störungen programmiert.

Ergänzendes zum Thema
 
Das Fazit der Autoren

Viele Edge-Rechenzentren der neuen Generation verbinden eine hohe Leistung mit einer bemerkenswerten Kühleffizienz.

Gerätekonzept: Schematische Darstellung der Kühlung im Umluftbetrieb mittels adiabater Verdunstungskühlung und bedarfsabhängiger Nachkühlung über integrierte Adsorptionskältemodule.
Gerätekonzept: Schematische Darstellung der Kühlung im Umluftbetrieb mittels adiabater Verdunstungskühlung und bedarfsabhängiger Nachkühlung über integrierte Adsorptionskältemodule. (Bild: Dipl. Ing./Wirt. Ing. Stephan Hülskamp, Menerga GmbH)

Eingeschlossene Räume von vorgefertigten Anlagen seien prinzipiell leichter zu kühlen als große IT-Räume, stellt Global Market Insights, Inc., in seinem aktuellen Bericht zur Lage des Marktes für modulare Rechenzentren fest (Modular Data Center Market Size By Component vom März 2019). Containerisierte Rechenzentren weisen ja eine eingebaute Gangbegrenzung auf; diese würde die Vermischung von heißer und kalter Luft minimieren, argumentieren die Analysten. Durch die Kühlung könnten die Betreiber die Kapazität ihres IT-Bereichs maximieren und die Energieeffizienz der Anlagen „noch weiter verbessern“.

Das Huawei Edge Datacenter

Als ein Beispiel für innovatives Energie-Management an der Netzwerkkante verweist Global Market Insights auf „Fusion Module 1000 B“, ein vielfach preisgekröntes, vorgefertigtes modulares Edge-Datacenter der Huawei Technologies Co., Ltd. FusionModule1000B verfügt über ein integriertes Reihenkühlsystem und ein Stromversorgungssystem, welches sowohl Gleich- als auch Wechselstrom unterstützt.

Die Standardleistungsdichte beträgt bis zu 15 Kilowatt (kW) pro Rack und lässt sich nach Anpassungen bis maximal 30 kW pro Rack erweitern. Das RZ-Modul bringt ein automatisches Brandmelde- und Löschsystem mit. Die Container sind wasser- und staubdicht nach Schutzart IP55 und bieten einen Zone-3-Erdbebenschutz gemäß NEBS GR63 (entspricht dem Erdbebenschutz Stufe 9) und Brandschutz für 120 Minuten. Die Lösung entspricht der Uptime Tier- und TIA942-Topologie. Huawei verspricht eine Lebensdauer von 25 Jahren.

Doch leider verwenden Huaweis Klima-Anlagen mehrere umweltgefährdende Arbeitsstoffe, darunter zwei toxische Kältemittel, R410A im DX-System und R134A im Kaltwassersystem. Die EU-Verordnung über fluorierte Treibhausgase schreibt eine schrittweise Reduktion von F-Gasen, jedoch noch kein Verbot vor, da so viele Anlagen diese giftigen Substanzen noch einsetzen. (Die Preisentwicklung der synthetischen Kältemittel und deren Verfügbarkeit sind übrigens langfristig ungewiss, insofern ist die 25-Jährige Herstellergarantie von Huawei ebenfalls sehr fragwürdig. Zu aktuellen Versorgungsschwierigkeiten von Huawei siehe auch diesen Bericht: Eigentlich ist Android doch Open Source? Google versus Huawei: Technologie als Faustpfand)

Das Menerga-Konzept

Die Menerga GmbH aus Mülheim an der Ruhr hat als Klimatechnikspezialist gezeigt, dass Klimatechnik für Rechenzentren auch umweltfreundlich sein kann. Das adiabate Kühlsystem der Menerga GmbH mit Wärmerückgewinnung kommt ganz ohne umweltschädigende Arbeitsstoffe (F-Gase, Kältemaschinenöle) aus und fällt somit nicht unter die F-Gase Verordnung EU 517/2014 und die Druckgeräterichtlinie PED 97/23/EC. (Seit 2015 müssen alle EU-Mitgliedsländer das CO2 Äquivalent der F-Gas Kältemittel stufenweise bis 2030 um fast 80 Prozent verringern.

Applaus: Deutscher Rechenzentrumspreis prämiert innovative Rechenzentrumsprojekte und -Lösungen mit transformativem Zukunftspotenzial.
Applaus: Deutscher Rechenzentrumspreis prämiert innovative Rechenzentrumsprojekte und -Lösungen mit transformativem Zukunftspotenzial. (Bild: Marconing)

Das Umluftkühlgerät mit Verdunstungskühlung und Adsorptionskältemodulen hat der Menerga GmbH den begehrten ersten Platz im Wettbewerb um den Deutschen Rechenzentrumspreis 2019 in Kategorie 2, „RZ-Klimatisierung und Kühlung“ beschert. Im Jahr davor gewann das Unternehmen den dritten Platz mit der Einreichung „Kompakte Kühlgeräte mit Verdunstungskühlung und Außenluft-Vorkühlung“.

Adiabate Kühlung

Das Kühlen der Raumluft mit Kühlaggregaten verbraucht normalerweise noch mehr Energie als das Erwärmen derselben Luftmenge. Mit Hilfe der adiabaten Kühlung (der so genannten Verdunstungskühlung) lässt sich dieses ungünstige Verhältnis aufbessern.

Der adiabaten Kühlung liegt ein ganz einfaches physikalisches Prinzip zu Grunde. Wenn Wasser verdunstet, nimmt es aus der Luft Wärme auf und kühlt so den Raum ab. Im Gegensatz zu Kompressionskältemaschinen verbraucht die adiabate Kühlung kaum Strom.

Die Lösung der Menerga GmbH verbindet Rechenzentrumskühlung mit Wärmeverbundsystemen. Das Umluftkühlgerät arbeitet mit indirekter freier Kühlung durch Außenluft. Durch die Zuschaltung der direkten Befeuchtung der Außenluft im Plattenwärmeübertrager (indirekte Verdunstungskühlung) lässt sich die Kühlleistung bei Bedarf erhöhen.

Luftfeuchte zu bedenken

Zur Sicherstellung der geforderten Zulufttemperaturen auch bei sehr hohen Außenluftfeuchten sind im Gerät Adsorptionskältemodule zur Zusatzkühlung integriert. Mit der Integration dieser Adsorptionsmodule in das Umluftkühlgerät mit Verdunstungskühlung konnte das Unternehmen diese zwei energieeffizienten Technologien erstmalig in einem Gerät kombinieren und kann so die benötigte Kühlleistung unabhängig vom Außenluftzustand gewährleisten.

Auch bei feucht-warmen klimatischen Bedingungen mit Feuchtkugeltemperaturen bis 30 °C lassen sich Zulufttemperaturen im Bereich von 20 bis 25 Grad erreichen. (Der Begriff Feuchtkugeltemperatur bezeichnet die tiefste Temperatur, die sich durch direkte Verdunstungskühlung erreichen lässt.)

Die Lösung soll die Entwicklung neuer Klimatisierungskonzepte ermöglichen. Nutzbare Energiequellen beinhalten Fern- oder Nahwärme, Abwärme aus einem Notstromaggregat oder aus eigenem BHKW aus dem Datacenter-Betrieb, Prozesswärme (in der Industrie) sowie Abwärme aus wassergekühlten Racks. Aufgrund des einfachen Aufbaus der Adsorptionsmodule ohne bewegliche Teile ist die Zusatzkühlung wesentlich betriebssicherer als eine Kompressionskälte-Anlage.

Mit guten Ideen glänzen: Diese Trophäe ging 2019 an die Menerga GmbH aus Mülheim an der Ruhr für ein innovatives Umluftkühlgerät für Rechenzentren mit Verdunstungskühlung und Adsorptionskältemodulen.
Mit guten Ideen glänzen: Diese Trophäe ging 2019 an die Menerga GmbH aus Mülheim an der Ruhr für ein innovatives Umluftkühlgerät für Rechenzentren mit Verdunstungskühlung und Adsorptionskältemodulen. (Bild: Marconing)

Menerga bietet bereits kompakte Rechenzentrumslösungen, welche überschüssige Energien in Form von Solarthermie, Fern- oder Prozesswärme nutzbar machen, um die thermisch angetriebene Kühltechnologie mit dem eingesetzten Kältemittel Wasser (R718 / GWP = 0) neben der indirekten adiabaten Kühllösung energieeffizient zu betreiben. So wird die Wärmerückgewinnung durch die Einbindung in Wärmeverbunde mit Hilfe einer integrierten Wärmepumpe, die das Temperaturniveau anhebt, eine „äußerst wichtige und ökologische Stellschraube“, beobachtet Dipl. Ing./Wirt. Ing. Stephan Hülskamp, Key Account Manager Datacenter Europa bei der Menerga GmbH.

Diese Stellschraube setze aber den Willen aller handelnden Personen auch aus der Politik voraus. „Der Staat muss diesen Aufwand für den Investor einfach attraktiver machen“, betont Hülskamp.

Adiabate Kühlung ist in der Rechenzentrumsbranche nicht ganz neu. Schneider Electric setzt auf adiabate Kühlung unter anderem im Aquaflair-System.

Über die Schultern geschaut: Cloud-basierte DCIM-Lösungen für das Infrastruktur-Monitoring wie EcoStruxure IT von Schneider Electric können zu einem kosteneffizienten Betrieb von Edge-Rechenzentren beitragen.
Über die Schultern geschaut: Cloud-basierte DCIM-Lösungen für das Infrastruktur-Monitoring wie EcoStruxure IT von Schneider Electric können zu einem kosteneffizienten Betrieb von Edge-Rechenzentren beitragen. (Bild: Schneider Electric)

Neben modernen Kühl- und Stromversorgungslösungen würden auch Cloud-basierte DCIM-Lösungen wie etwa Ecostruxure IT zu einem kosteneffizienten Betrieb beitragen (siehe dazu das eBook: „KI im Rechenzentrum“ und den Artikel „KI-gestütztes Datacenter-Management“, Seiten 9-14). Intelligente Funktionen wie ein KI-gestütztes Vorschlagsystem und lückenlose Dokumentation von Leistungs- und Temperaturdaten reduzierten nicht nur die Ausfallzeiten, sondern machten auch neue Energiesparpotenziale sichtbar, so Arres.

* Das Autorenduo arbeiten für McKinley Denali Inc. (USA).

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