Vom Dieselaggregat zum besseren Diesel, zu Brennstoffzellen, Batterien und Wasserstoff Ein Fahrplan für umweltfreundlichere Rechenzentren

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Trotz Effizienzsteigerungen steigt der Stromverbrauch von Rechenzentren immer weiter an und ist Schätzungen zufolge für ein bis zwei Prozent des weltweiten Strombedarfs verantwortlich, sowohl für die Stromversorgung als auch für die Kühlung der Server. Vor allem die steigende Nachfrage nach Cloud-Diensten treibt das Wachstum an, insbesondere von Hyperscale-Rechenzentren - und die könnten ein Vorbild sein.

Unabhängig von ihrer Größe müssen alle Rechenzentren eine kontinuierliche Stromversorgung sicherstellen, um Datenverluste und Betriebsausfälle zu vermeiden. Der Dieselgenerator oder das Aggregat war bisher das wichtigste Gerät, um kurzfristige Lücken in der Netzversorgung zu schließen. Dieser Artikel befasst sich mit den verschiedenen Optionen und damit, wie sie zur Verringerung der Emissionen von Rechenzentren beitragen können.

Die Rechenzentrumslandschaft

Die Gesetzgebung zur Bekämpfung des Klimawandels hat große Auswirkungen auf Rechenzentren, und die Branche reagiert darauf mit Initiativen zur Selbstregulierung. So hat beispielsweise der „Climate Neutral Data Centre Pact“, eine Gruppe von Cloud-Anbietern und Rechenzentrumsbetreibern, der Europäischen Union einen Vorschlag unterbreitet, der vorsieht, Rechenzentren in Europa bis 2030 klimaneutral zu stellen. Neben den Treibhausgasen (THG) sollen auch andere gesundheitsschädliche Emissionen wie Stickstoffdioxid reduziert werden.

Hyperscale-Rechenzentren müssen den Nachhaltigkeitsverpflichtungen ihrer Eigentümer und der Unternehmen, die sie nutzen, gerecht werden. Amazon, Google, Microsoft, Facebook und Apple verbrauchen zusammen mehr als 45 Terawattstunden Strom pro Jahr.

Diese fünf großen Unternehmen, die informell als GAFAM bekannt sind, haben sich öffentlich dazu verpflichtet, ihre Emissionen zu reduzieren, und müssen diese Ziele erreichen, um Image-Schäden und Probleme mit dem Gesetzgeber zu vermeiden. Gleichzeitig sind sie nicht bereit, bei ihrem Streben nach Netto-Null Kompromisse bei Kosten, Leistung, Sicherheit oder Zuverlässigkeit einzugehen.

Verschleierungstaktiken und Irreführung bei den Hyperscalern

Gesucht: Neue Metriken für die Nachhaltigkeit von Rechenzentren

So hat sich Microsoft beispielsweise verpflichtet, bis 2030 „kohlenstoffnegativ" zu sein, das heißt: mehr Kohlendioxid aus der Luft zu entfernen, als es ausstößt. In ähnlicher Weise hat Google versprochen, seine Rechenzentren bis zum selben Jahr mit kohlenstofffreiem Strom zu versorgen. Amazon, Facebook und Apple haben alle weitgehend ähnliche Klimaziele.

Die Rolle der Dieselaggregate

Diese Trends bedeuten, dass die Hersteller von Stromaggregaten mehr für die Nachhaltigkeit tun müssen. Dieselaggregate sind eine bewährte Lösung für Rechenzentren, mit niedrigen Betriebskosten, hoher Energiedichte und langfristiger Zuverlässigkeit. Sie sind einfach zu installieren und zu betreiben und bieten eine hochverfügbare Stromquelle.

Dieselaggregate haben jedoch einen großen Nachteil: ihre Umweltfreundlichkeit. Obwohl Aggregate nur selten eingesetzt werden, erwartet die Rechenzentrumsbranche, dass sie sich in Richtung eines saubereren Betriebs und geringerer Emissionen bewegen.

Emissionsstandards für Dieselaggregate im Rechenzentrum

Streng reguliert: Netzersatz mit Diesel-Notstromtechnik

Neue Gesetze, höhere Steuern und strengere Vorschriften werden den Diesel wahrscheinlich immer unattraktiver machen. So hat beispielsweise das Vereinigte Königreich vor Kurzem die Verwendung des niedrig besteuerten „roten Diesels“ in Generatoren für Rechenzentren verboten. Singapur ist sogar noch weiter gegangen und hat unter anderem aufgrund von Umweltbedenken ein Moratorium für neue Rechenzentren im Jahr 2019 verhängt, dass erst kürzlich wieder aufgehoben wurde.

Microsoft schätzt, dass Diesel weniger als ein Prozent zu seinen Gesamtemissionen beiträgt, drängt aber dennoch darauf, die Verwendung von Dieselaggregaten für die Notstromversorgung bis 2030 zu beenden. Das Unternehmen prüft Optionen wie Biogas, Erdgas und Wasserstoff, aber es ist noch nicht klar, ob es Lösungen gibt, die sich ausreichend skalieren lassen, um Diesel zu ersetzen. Eine weitere Option, die von Facebook und anderen großen Unternehmen verfolgt wird, ist die Ansiedlung von Rechenzentren an Orten, an denen das lokale Stromnetz erwiesenermaßen robust ist, so dass weniger Ausfälle zu bewältigen sind.

Die Optimierung von Stromaggregaten

Die Dieseltechnologie entwickelt sich ständig weiter. Hersteller von Stromaggregaten wie Kohler haben massiv in die Reduzierung von Emissionen investiert und erhebliche Verbesserungen vorgenommen. Sie arbeiten auch an der Digitalisierung und nutzen das Internet der Dinge (IoT) und die Fernüberwachung für eine verbesserte Diagnose.

Zylinderinterne Technologien reduzieren die vom Dieselmotor ausgestoßenen Schadstoffe. So kann beispielsweise die Umstellung von mechanischen Kraftstoffsystemen auf elektronische Kraftstoffeinspritzung die Entstehung von Schadstoffen erheblich reduzieren. Dank computergestützter Konstruktionswerkzeuge und computergestützter Flüssigkeitsdynamik konnte auch die Modellierung des Motorverhaltens verbessert werden. Diese und andere Entwicklungen im Zylinder, wie die Abgasrückführung, haben eine Optimierung des Systems ermöglicht, um den Kraftstoffverbrauch zu verbessern und die Emissionen zu senken.

Ein weiterer wichtiger Bereich der Verbesserung ist die Verringerung des „Wet-Stacking“. Dabei handelt es sich um eine Ansammlung von unverbranntem Kraftstoff in der Abgasanlage des Motors, die zu übermäßigem Verschleiß und Schäden führt. Normalerweise wird dieses Problem dadurch gelöst, dass ungenutzter Kraftstoff jeden Monat abgebrannt wird, indem die Generatoren mindestens 30 Minuten lang mit 30 Prozent ihrer Nennleistung betrieben werden dies ist jedoch eine teure Verschwendung von Diesel und führt zu höheren Emissionen, insbesondere in großen Rechenzentren mit mehreren Generatoren.

Das WetStacking

Kohler hat das Problem des „WetStacking“ mit einer hochoptimierten Motorkonstruktion gelöst, wie bei der KD-Serie. Dies ermöglicht es den Betreibern, ihre monatlichen Generatortests ohne Last durchzuführen und nur einmal im Jahr einen Last Test durchzuführen. Dies hat eine große Wirkung und kann die Gesamtemissionen des Generators um bis zu 85 Prozent senken (siehe Abbildung 1).

Neben dem Motor selbst werden auch Nachbehandlungssysteme eingesetzt, um die Emissionen zu reduzieren. Zu diesen Systemen gehören Dieseloxidationskatalysatoren, Dieselpartikelfilter und die selektive katalytische Reduktion, um die verschiedenen Gase und Partikel, die im Ausstoß des Motors enthalten sind, aufzufangen. Durch neue Nachbehandlungstechnologien wird die Leistung dieser Systeme ständig verbessert.

Die Entwicklung der Zukunftstechnologien

Über den Diesel hinaus können Biokraftstoffe eine weitere Möglichkeit zur Verringerung der Treibhausgasemissionen bieten, indem sie erneuerbare Kraftstoffe verwenden, bei denen der Kohlenstoff nicht durch fossile Kraftstoffe, sondern durch Pflanzen aus der Atmosphäre gebunden wird.

Eine attraktive Option ist hydrobehandeltes Pflanzenöl (HVO), auch bekannt als erneuerbarer Diesel. Es wird aus Abfällen und Restfetten aus der Lebensmittelindustrie sowie aus Pflanzenölen ohne Lebensmittelqualität hergestellt. HVO überwindet einige der Probleme, die typischerweise mit Biokraftstoffen verbunden sind, wie Instabilität und Alterung bei längerer Lagerung.

HVO kann als direkter Ersatz für herkömmlichen Dieselkraftstoff verwendet werden, ohne dass der Motor verändert werden muss und reduziert die Kohlenstoffemissionen um bis zu 90 Prozent. Die KD-Motoren von Kohler haben sich für den Betrieb mit HVO100-Biokraftstoff bewährt, und Kohler arbeitet weiter an Lösungen mit anderen neuen, sauberen Kraftstoffen.

Die Öko-Alternative für Rechenzentren von Kohler SDMO

Nachhaltig? Diesel-Aggregate für Notstrom mit HVO

Mit Blick in die Zukunft sind Lithium-Ionen-Batterien und Brennstoffzellen zwei neue Technologien, die für Rechenzentren in Betracht gezogen werden und von vielen Betreibern getestet werden. Brennstoffzellen werden mit Wasserstoff betrieben, wobei das einzige Abfallprodukt Wasser ist. Wird der Wasserstoff mit erneuerbarer Energie, so genanntem „grünen Wasserstoff“ hergestellt, so bieten sie eine emissionsfreie Notstromlösung.

Im Vergleich zu Dieselgeneratoren haben Batterien und Brennstoffzellen jedoch Nachteile in Bezug auf Skalierbarkeit und Kosten. Batterien, die groß genug sind, um als Notstromaggregate eingesetzt zu werden, sind zum Beispiel sehr teuer und können bei ihrer Herstellung und Entsorgung erhebliche Umweltauswirkungen haben.

Bess füttert das belgische Google-Datacenter mit Energie und Kohle

Batteriespeicher anstelle von Notstromdiesel im Rechenzentrum

Brennstoffzellen würden beträchtliche Investitionen in die Infrastruktur erfordern, um genügend Wasserstoff zu transportieren und zu speichern; so wären beispielsweise 100 Tonnen Wasserstoff erforderlich, um 30 Megawatt an IT-Geräten 48 Stunden lang mit Strom zu versorgen.

Kohler ist direkt an der Entwicklung und Erprobung von Batterie- und Brennstofflösungen als Notstromlösungen für Rechenzentren beteiligt. Langfristig gesehen sind diese Technologien sehr vielversprechend, aber eine breite Anwendung wird wohl noch mindestens zehn Jahre auf sich warten lassen.

* Pierre Adrien Bel ist Product Manager bei Kohler.

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