Geothermie für Rechenzentren lohnt sich, aber unter Bedingungen Fallstricke beim Kühlen mit Erdsonden

Autor / Redakteur: Andreas Beuthner / Ulrike Ostler

Im Rechenzentrum gehört die Klimatisierung zu den großen Kostenblöcken. Das kratzt am Budget und belastet die Energie- und Klimabilanz. Wer auf Geothermie setzt, kann Strom sparen – doch das Bohrung nach Kälte hat Tücken.

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Geothermie-Bohrungen erfordern umfangreiches Equipment und können Erschütterungen an der Erdoberfläche auslösen.
Geothermie-Bohrungen erfordern umfangreiches Equipment und können Erschütterungen an der Erdoberfläche auslösen.

Die Strom- und Klimatechnikbranche ist hellwach, wenn es um den effizienten Einsatz wertvoller Ressourcen geht (siehe: Kasten). Neben der Anlagenoptimierung konventioneller HVAC (Heating, Ventilation, Air Conditioning)-Systemen stehen vor allem Cooling-Konzepte mit regenerativer Kältequelle im Fokus.

Denn fast die Hälfte des Stromaufkommens im herkömmlichen Rechenzentrum verbraucht das Kühlsystem, so das Ergebnis einer Gartner-Studie. Die Faustregel für ein mittelgroßes Datacenter besagt: zwei Kilowatt (kW) Kühlleistung pro Quadratmeter Rechenraum.

Besonders gefragt sind natürliche Kühlquellen. Grundwasser beispielsweise ist ganzjährig gleichmäßig kühl. Kein Wunder, dass Brunnenanlagen und Geothermie, die Kühlung ohne nennenswerten Stromverbrauch versprechen, die Planer von Rechenzentren anlocken. Man benötigt lediglich eine Kreislaufpumpe, die kühles Wasser aus dem Erdinneren verlustfrei zum Klimatisierungssystem der Server-Räume transportiert.

Wasser und Sonden

Oberflächennahe Erdschichten sind kalt genug, um ein Wasser-Glykol-Gemisch oder eine Solemischung soweit abzukühlen, dass die richtige Betriebstemperatur für Server-Räume oder Rack-Reihen entsteht. Ab 80 Meter Tiefe herrschen relativ konstante Temperaturen, um die 8 bis 12 Grad Celsius.

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Das Kühlmittel zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf und liefert über Erdwärmesonden erzeugtes Kaltwasser an die Kühlgeräte der Server-Schränke. Wärmetauscher nehmen die Abwärme der Hardware im Datacenter auf und befördern es als temperiertes Wasser zum Abkühlen wieder zurück.

Genug Grundwasser vorhanden?

Stolperstein Numnmer eins für die geothermische Speicherbewirtschaftung sind die höheren Investitionskosten für die Bohrungen. RZ-Spezialisten wie die Karlsteiner bit weisen darauf hin, dass detaillierte Kenntnisse über die Bodenbeschaffenheit, das vorhandene Grundwasser und dessen Fließrichtung notwendig sind. Außerdem muss im Vorfeld geklärt werden, wie viel Sonden für den Direktkühlbetrieb von Server-Schränken oder zum Anschluss von Umluftkühlern und dementsprechender Druckbodenklimatisierung in kleineren Server-Räumen benötigt werden.

Einschränkungen ergeben sich auch bei der Größe des Bohrfeldes und der Anzahl der Bohrlöcher. Pro Bohrloch sind zwei Rohrleitungen für den Vor- und Rücklauf nötig, die mit Beton verpresst werden. Das wirft die Frage nach den Mindestabständen zwischen den Bohrlöchern und zu angrenzenden Grundstücken auf. Im Ernstfall kommt auf den Betreiber eine Auseinandersetzung mit der Genehmigungsbehörde oder dem Grundstücksnachbarn zu.

Planung für das Hier und Jetzt oder für die Zukunft?

Neben dem erhöhten Flächenbedarf ergibt sich ein weiteres Handicap durch spätere Erweiterungen der Server-Landschaft. In vielen Unternehmen ist der künftige Ausbau der IT-Infrastruktur die große Unbekannte, da abhängig von Geschäftsgang und wechselnder Wettbewerbssituation.

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Wer die IT-Ressourcen aufstockt braucht zusätzliche Kühlleistung, doch das erneute Tiefbohren für neue Sonden kann schnell an natürliche Grenzen stoßen. Einfachster Fall: Der Grundwasservorrat reicht nicht für den zusätzlichen Kühlbedarf.

Überraschungen im Live-Betrieb

Andere Ereignisse im Untergrund sind ebenfalls schwer vorhersehbar. Unterschiedlich lange Rückläufe von erwärmtem Wasser aus der Server-Kühlung beispielsweise führen zu Temperaturdifferenzen bei den Entnahmestellen, wie es im Rechenzentrum des Vogelsbergkreises festgestellt wurde. Dort plant man inzwischen einen zusätzlichen Verteiler, mit dem das Kühlwasser gezielt in die einzelnen Sonden eingespeist wird, um so die Temperaturunterschiede auszugleichen.

Die Kühle aus der Erde lässt sich ohnehin nur sinnvoll einsetzen, wenn ein zentrales Überwachungssystem mit Energie-Controlling vorhanden ist, das die Kühlleistung je nach Bedarf steuert. Bislang gibt es wenig Erfahrung, wie viel Kälteleistung ein Borloch hergibt.

In der Regel gehen die Planer von vier kW Kühlleistung je Erdsonde aus. Durch unterschiedliche geologische Gegebenheiten gibt es aber regionale Schwankungen bei der geothermischen Ergiebigkeit.

Achtung! Kondenswasser

Ein größerer elektronischer Steuerungsaufwand mit Vorlaufregelung ist im Fall geothermischer Kühlung angeraten. Fällt die Vorlauftemperatur unter die Taupunkttemperatur kommt es zur Kondenswasserbildung.

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Die Folge: Störungen im Kühlkreislauf - vor allem die Wärmetauscher sind gegenüber Kondenswasser anfällig. Dieser Gefahr kann man nur mit Ausgleichsmaßnahmen begegnen, die dafür sorgen, dass die Vorlauftemperatur oberhalb des Taupunkts gehalten wird.

Temperaturanstieg im Untergrund

Stehen die entscheidenden Bodenparameter und damit die geothermische Ergiebigkeit fest, kommt ein weiterer Knackpunkt: Die Integration in das bestehende Kühlkonzept der Server-Infrastruktur. Die Racktemperaturen müssen die Sollwerte einhalten. Bei Wärmelasten über sieben kW pro Rack empfiehlt Lehmann die direkte Rackkühlung. Hierfür ist eine konstante Vorlauf-Wassertemperatur zwischen 14 Grad und 16 Grad Celsius nötig.

Bei der geothermischen Kaltwassererzeugung bewegt man sich bei etwa 10°C Grundwassertemperatur zwar auf der sicheren Seite, aber die ständig abgeleitete Wärme aus dem laufenden Rechnenbetrieb heizt bei ganzjährigem Betrieb das Grundwasser allmählich auf. Dieses "Aufladen" des Geothermiefeldes im Untergrund beeinträchtigt die Wirtschaftlichkeit der Kältesysteme im Server-Raum. Zusätzliche Verdunstungskälte aus strombetriebenen Kompressoren wird benötigt. Das treibt den Stromverbrauch wieder nach oben.

RZ-Bauer Prior1 empfiehlt deshalb im Zweifelsfall einen zusätzlichen, großzügig dimensionierten Free-Cooler im Außenbereich. Dieser übernimmt bei kühlen Außentemperaturen im Winter die Kaltwassererzeugung durch indirekte freie Kühlung. Da während dieser Zeit kein Wärme-Eintrag im Erdspeicher stattfindet, sinkt die Temperatur im Bereich der Erdsonden wieder auf das natürliche Niveau ab.

Kühlen durch verschiedenen Quelle

Dass sich die Geothermie durch Kombination mit anderen Kühlungstechniken rechnet, zeigt ein Beispiel aus Island. Die Colt Data Centre Services haben dort ein emissionsfreies Rechenzentrum errichtet.

Nach Firmenangaben besteht die Kühlung aus einer Kombination aus Erdwärme, Wasserkraft und freier Kühlung. Während standortbedingt die Freikühlung die Hauptlast trägt, so dass über eine lange Zeit des Jahres auf Kälte-Erzeugung mittels Kompressoren verzichtet wird, bieten die beiden anderen Energiequellen ausreichend Nachschub für einen zuverlässigen Betrieb.

Tricks für die Effizienzsteigerung

Auch in gemäßigten Breiten ist der kombinierte Betrieb mit Glycol-Wasser aus geothermischen Bodenspeichern und Freiluftwärmetauscher ein zukunftsträchtiger Weg, um die Stromleistung von Kältekompressoren zu reduzieren. Wenn beispielsweise die Kältemaschinen die Temperaturen des Rücklaufs aus den Server-Schränken geringfügig absenken, so dass eine möglichst niedrige Erwärmung im Bodenspeicher auftritt, kann der Energie-Einsatz insgesamt niedriger ausfallen als bei konventioneller Kühlung.

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Fazit: Die Geothermie allein ist nicht die Universallösung für das Energie-effiziente Rechenzentrum der Zukunft. Zusätzliche Kältetechnik wie die Freikühlung und auch herkömmliche Kältekompressoren sollten auf dem Gebäudedach stehen, entweder um die Kaltwassertemperaturen konstant zu halten, den Rücklauf in den Erdspeicher zu senken oder kalte Außenlufttemperaturen im Winter in die hitzegeplagten Server-Schränke zu lenken.

Der Autor:

Andreas Beuthner ist freier Autor in Gauting bei München.

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