Adsorptionskälte Kontinuierliche Kälte durch Datacenter-Abwärme

Abwärme von Rechenzentren bleibt oft ungenutzt. Pilotprojekte nutzen sie bereits für Neubausiedlungen und Wärmenetze, aber oft Fehlen Abnehmer. Ob Ansätze wie Absorptionskälte hier weiterhelfen können, besprach Harald Lutz mit Enicon-Geschäftsführer Sören Paulußen.

Lutz: Kann moderne Adsorptionskältetechnik dafür genutzt werden, um die anfallende Abwärme in den Rechenzentren sinnvoll zu verwenden, beispielsweise die Server zu kühlen und damit Strom und Geld für klassische Kältemaschinen zu sparen?

Paulußen: Wir haben bereits viele Rechenzentren mit Adsorptionskältemaschinen ausgestattet, aber bislang stets zusammen in Verbindung mit Blockheizkraftwerken, also einer Kraft-Wärme-Kopplung als Antriebsenergie.

Mit zunehmender Etablierung der Server-Wasserkühlung am Markt – insbesondere bei KI-Rechenzentren mit sehr hohen Leistungsdichten pro Rack, deren Wärme mit klassischer Luftkühlung nicht mehr abgeführt werden kann – eröffnen sich neue Möglichkeiten. Ein bislang ungelöstes Problem: Die auszukoppelnden Temperaturen bei wassergekühlten Servern liegen bei ca. 50 Grad Celsius. Das war bis dato auch für die Adsorptionskältetechnik zu gering.

Die Adsorptionstechnologie an sich ist nicht neu. Können Sie unseren Leserinnen und Lesern zunächst noch einmal die Grundzüge in Erinnerung rufen?

Während herkömmliche Kältemaschinen immer Strom für den Antrieb nutzen, arbeiten Adsorptionskältemaschinen mit Wärme als Antriebsenergie. Für die reine Kälteerzeugung wird daher kein Strom mehr benötigt. Elektrische Energie wird dabei nur noch für die Steuerung, die Pumpen und die Ventilatoren der Kälteerzeugung gebraucht.

Im Kälteerzeugungsprozess wird Kälte aus Abwärme statt mit Strom erzeugt. Dabei spielt aber die Temperatur eine entscheidende Rolle. Wenn die Adsorptionskältemaschine eine angemessene Eingangstemperatur zugeführt bekommt – mit der von uns als Vertriebspartner genutzten neuen Technologie der Adsorbus GmbH liegt diese bei rund 50 Grad Celsius und damit deutlich unter den bislang gängigen Werten von 65 Grad Celsius –, kann die anfallende Rechenzentrumsabwärme von wassergekühlten oder hybriden Rechenzentren wirtschaftlich rentabel als Antrieb für die Kälteerzeugung genutzt werden.

Nicht zu verwechseln ist dieses Verfahren mit der Schwestertechnologie Absorptionskälte, die Kälte zwar auch aus der Antriebsenergie Wärme erzeugt, aber mit zwei chemischen Flüssigkeiten arbeitet, die gemischt und wieder getrennt werden. Die Adsorptionskälte hingegen arbeitet mit einem Feststoff und einer Flüssigkeit. Das ist ein völlig anderer Prozess, der schon immer – auch vor den jüngsten Innovationen – den Vorteil hatte, dass er weit niedrigere Eingangstemperaturen benötigte als die ca. 75 Grad Celsius bei der Absorption.

Wohin mit der Serverhitze und wie?

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⚙ Technik im Detail

Der Adsorptionsprozess

Zur Kälteerzeugung wird das Wasser in einem Verdampfer unter Aufnahme des Wärmestroms bei einer tiefen Temperatur verdampft. Anschließend wird der Wasserdampf vom Adsorptionsmaterial im Adsorber adsorbiert. Sobald das Adsorptionsmaterial voll beladen ist, wird es regeneriert. Dazu wird dem Adsorptionsmaterial die benötigte Desorptionswärme über den Abwärmestrom zugeführt. Anschließend wird der ausgetriebene Kältemitteldampf im Kondensator kondensiert und in den Verdampfer zurückgeführt. Zur kontinuierlichen Kälteerzeugung werden zwei Adsorber genutzt, wobei der zweite Adsorber antizyklisch zum ersten Adsorber operiert.

Sie sprechen bei der jüngsten Generation der Adsorptionstechnik von neuen Feststoffmaterialien, die eine deutlich niedrigere Eingangstemperatur von ca. 50 Grad Celsius ermöglichen. Was genau hat es damit auf sich?

Die als Kältemittel fungierende Flüssigkeit ist bei uns im Gegensatz zur Absorption reines Wasser. Der Feststoff besteht aus porösen Materialien, damit möglichst viel Wasserdampf angelagert werden kann. Dafür wurden bislang meist Zeolithe oder Silicagel verwendet. Die neue Adsorptionskältetechnik unseres Technologiepartners nutzt als Feststoff hoch poröse metallorganische Gerüstverbindungen (Metal Organic Frameworks – MOF), die extrem viel Wasser, also Kältemittel, aufnehmen können.

Im Endeffekt bestehen die neueren Entwicklungen in der Adsorptionskältetechnik aus drei verschiedenen Komponenten: Das eine sind die neueren Materialien (MOFs), das zweite ist eine neue, patentierte Bauform der internen Wärmeübertragung und das dritte ist, eng damit verbunden, der Einzug in eine weit höhere Leistungsklasse als bisher, bis hin in den Megawattbereich.

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Welche Vorteile ergeben sich mit diesen Innovationen für einen Einsatz der Adsorptionstechnik in Rechenzentren?

Der Hauptvorteil liegt darin, dass damit die benötigte Eingangstemperatur der Wärme in die Adsorptionskältemaschine von bisher ca. 65 auf rund 50 Grad Celsius abgesenkt werden konnte. Damit wird die Adsorptionstechnologie neben Industrie-Anwendungen nun auch für die Rechenzentrumsbranche interessant: Für die reine Kälteerzeugung wird damit kein Strom mehr benötigt und viel Geld für die herkömmliche Kälteerzeugung eingespart.

Eine detaillierte Wirtschaftlichkeitsberechnung (ROI) für den Einsatz in Rechenzentren liegt derzeit noch nicht vor, da sich die neue Generation der Kältemaschine derzeit noch in Entwicklung befindet. Für den Herbst dieses Jahres sind in verschiedenen Rechenzentren parallel erste Live-Tests der neuen Adsorbus-Adsorptionskältetechnik geplant.

Kann die Adsorptionskälte kurz- oder mittelfristig auch eine Option für gängige, luftgekühlte Bestandsrechenzentren sein?

Für rein luftgekühlte Rechenzentren eher nein. Ein Hochheizen der Abwärme von 30 Grad Celsius aus luftgekühlten Rechenzentren auf die für Adsorptionskälte benötigten 50 Grad Celsius wird sich für die meisten Betreiber als nicht wirtschaftlich erweisen.

Sie sehen den wirtschaftlichen Einsatz also primär im wachsenden Markt der wassergekühlten und hybriden Rechenzentren?

Völlig richtig. Wir sehen das primäre Einsatzszenario der neuen Adsorptionskältetechnik in der Datacenterbranche primär bei wassergekühlten Rechenzentren mit Direct Liquid Cooling (DLC), die Abwärme auf einem Temperaturniveau um die 50 Grad auskoppeln können. Wir hören oder lesen auch immer wieder mal von einer Auskopplung von 60 Grad Celsius heißem Wasser. Im realen Betrieb sind solche Temperaturen aber kaum zu beobachten.

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Wie wird so ein System technisch aufgebaut?

In wassergekühlten Servern wird die Abwärme der CPUs und GPUs zum Beispiel durch Cold Plates direkt auf eine Kühlflüssigkeit übertragen. Dieses Kühlmedium wird zu einer Cooling Distribution Unit (CDU) geleitet, wo ein Trennwärmetauscher den Serverkreislauf vom Kreislauf der Kältemaschine beziehungsweise des Kältenetzes strikt trennt. Die Adsorptionskältemaschine wird in der Regel an die CDU angeschlossen; von dieser bezieht sie das aufgeheizte Wasser und gibt es abgekühlt wieder an die CDU bzw. die Server zurück. Dieser heiße Kreislauf übernimmt die Wasserkühlung der Server; die Adsorptionskältemaschine nutzt diese Wärme und produziert damit Kälte, mit der die in den Rechenzentren anfallende Restwärme gekühlt werden kann.

Denn selbst in einem komplett wassergekühlten Datacenter werden durch Abstrahlung etc. rund 15 bis 20 Prozent der Wärme an die Luft abgegeben, sodass immer noch eine zusätzliche Luftkühlung benötigt wird. Kälte wird über die von Enicon Energiesysteme installierten Adsorptionskältemaschinen wieder in Form von kaltem Wasser zur Verfügung gestellt und anschließend, wie bei einem luftgekühlten Rechenzentrum bislang auch, über übliche Geräte wie zum Beispiel Side Cooler oder ähnliches verteilt.

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Können auch andere innovative Technologien wie zum Beispiel ORC (Organic Rankine Cycle), die Abwärme in elektrischen Strom umwandeln, schon heute oder mittelfristig in der Rechenzentrumsbranche wirtschaftlich eingesetzt werden?

Über diese Frage stolpert man immer mal wieder. Nach meiner Kenntnis benötigt die ORC-Technologie sehr hohe Eingangstemperaturen von 100 Grad Celsius und darüber hinaus, bei einer Effizienz in der Umwandlung von lediglich 10 bis 15 Prozent. Daher ist es stark zu bezweifeln, dass ORC bei Eingangstemperaturen um die 50 Grad Celsius gegenwärtig auch nur ansatzweise etwas Praxistaugliches für die Rechenzentrumsbranche zu bieten hat. Als Systemintegrator würden wir es aber durchaus begrüßen, wenn es auch bei der ORC-Technologie mittelfristig einen deutlichen Technologiesprung gäbe und diese damit auch praktisch nutzbar wird.

Wie sehen Sie die weitere Zukunft einer sinnvollen Nutzung von

Rechenzentrumsabwärme?

: Was ich über die bislang schon diskutierten Themen und Technologien hinaus noch für sehr spannend halte, ist die „kalte“ Fernwärme. Gängige Fernwärmenetze laufen zwischen 80 und 100 Grad Celsius. Kalte Fernwärme bedeutet, auch 50-Grad-Rechenzentrumsabwärme in ein „kaltes“ Fernwärmenetz einspeisen zu können. Mit etwas Verlust wären immer noch 40 Grad Celsius bei den Abnehmern zu erwarten. Wenn nun in den Gebäuden jeweils eine Wärmepumpe installiert wird, erhält man damit eine extrem gute Niedertemperaturquelle. Fußboden- oder Deckenheizungen können in Neubauten sogar direkt mit diesem Temperaturniveau betrieben werden.

Haben Sie vielen Dank für die Informationen.

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