Supraleitungs-Gleichstrom, Holz statt Beton und Stahl sowie ein neues Kühlkonzept Paradigmenwechsel in der Datacenter-Architektur

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Auf dem Weg zum klimaneutralen Rechenzentrum muss an vielen und sehr unterschiedlichen Stellschrauben gedreht werden. Das Konzept ECO Open Superconducting (EOS) um den rheinland-pfälzischen Supraleitungs-Pionier Vision Electric Superconductors ist deshalb ganzheitlich ausgerichtet.

Auf dem diesjährigen OCP Global Summit vom 8. bis 10. November in San Diego geht die Morgenröte (altgriechisch „EOS“) auf. Auf dem renommierten Kongress des „Open Compute Project“, das vor zehn Jahren aus einem internen Facebook-Projekt hervorgegangen ist, wird zum ersten Mal das EOS-Konzept für ein klimaneutrales Rechenzentrum vorgestellt, das Vision Electric Superconductors (VESC) aus Kaiserslautern zusammen mit Karl Rabe High Tech und Ecocooling aus dem britischen Cambridge entwickelt hat [siehe: Alan Beresford, Karl Rabe, Wolfgang Reiser, Viktor Stark: Super-conductive Data Center EOS v1.0.3 (cf. OCP Global Summit, San Diego, 2021)]

Die Komponenten von EOS

EOS ist ein neuer Ansatz, der

• zum einen vorsieht, Rechenzentren direkt auf der Basis von stickstoff-gekühlten Hochtemperatur-Supraleitern in Gleichstrom-Sammelschienen energetisch zu versorgen,

• zum zweiten beim Bau statt Beton und Stahl kreuzweise verleimte Brettsperrholzplatten (im Englischen „cross laminated timber, CLT genannt) zu verwenden sowie

• zum dritten ein Verdampfungskühlkonzept („evaporative cooling“) zu verwenden. Letzteres gleicht dem Prinzip, den heißen Kaffee mit „Pusten“ abzukühlen (die quantenphysikalische Beschreibung dieses Pusteprozesses lassen wir hier aus Platzmangel beiseite).

Darüber hinaus sind auf dem Dach des Rechenzentrums PV-Module installiert, um die ganzen Nebenaggregate zu betreiben. Die Brandschutzsysteme werden mit flüssigem Stickstoff betrieben, der ohnehin in der Anlage zur Kühlung der supraleitenden Stromsammelschienen vorhanden ist.

Kerninnovation Hochtemperatur-Supraleiter

Kerninnovation der nahezu klimaneutralen Rechenzentrums-Architektur sind die Stromsammelschienen mit Hochtemperatur-Supraleitern. Hierbei kommt auch die Kernkompetenz von VESC zum Tragen. Man habe für Anwender in der Industrie schon mehrere Anlagen mit HTS-Sammelschienen ausgestattet, teilt das Unternehmen mit. Momentan sei man bei Technologiereifegrad 7 (TRL 7), was heißt, dass es einen Prototyp gibt, der an die jeweiligen Anwendungen angepasst werden muss.

Supraleitende Rechenzentren gibt es bisher nicht. Die Technologie sei aber, so heißt es aus VESC-Kreisen, prädestiniert für Hyperscale-Rechenzentren, wie sie beispielsweise von Google, Microsoft, Amazon oder Facebook „am laufenden Band“ gebaut würden. Das auf dem OCP Global Summit vorgestellte Architekturkonzept bezieht sich jedenfalls auf ein 100-Megawatt-Rechenzentrum.

Mit dem Konzept will man die Expertise aus dem Industriebereich in die Datacenter-Branche überführen. Dabei sei die Hochtemperatur-Supraleitung ein wichtiger Faktor in Richtung Klimaneutralität. Denn durch die Supraleitungs-Technologie gibt es keine Verluste durch Umrichtung und Transformation, wie sie bei den Systemen, die derzeit in den Rechenzentren eingesetzt werden, anfallen.

Des Weiteren übertragen Supraleiter Gleichstrom ohne Verluste. In der Summe muss also für dieselbe Leistung weniger Strom erzeugt und eingespeist werden.

Ein zweiter wichtiger Aspekt ist die Materialeffizienz. Supraleiter sind viel kleiner und leichter als die heute benutzten Übertragungsschienen. Es sind weniger Rohstoffe (bei hohen Strömen sind das bei herkömmlichen Stromschienen sehr viel Kupfer und Aluminium) notwendig, das spart Kosten, nicht zuletzt durch wegfallende Transporte. Außerdem werden auch weniger Halte- und Stabilitätsaufbauten notwendig. Insgesamt ergibt sich durch alle diese Faktoren eine große Minderung an CO₂-Emissionen.

Reduzierung der Scope3-CO₂-Emissionen in Richtung 100 Prozent

Ein zweiter wichtiger Schritt in Richtung eines klimaneutralen Rechenzentrums sind indes die Emissionen, die durch den Bau des Rechenzentrums beziehungsweise die Herstellung der dazu notwendigen Materialien entstehen („Scope 3-Emissionen“). Schon Beton beziehungsweise Zement allein ist für sieben Prozent der weltweiten CO₂-Emissionen verantwortlich.

Das ist mehr als die Treibhausgas-Emissionen, die auf Deutschland insgesamt entfallen. Die Nutzung der oben erwähnten Brettsperrholzplatten im EOS-Konzept und der damit verbundene Verzicht auf Beton und Stahl könnte zu einer Reduzierung von 80 Prozent der Scope3-Emissionen führen.

Darüber hinaus basiert das EOS-Konzept auf dem offenen OCP-Rack-Standard, so dass jederzeit auch gebrauchte Server eingesetzt werden können. Viele Unternehmen tauschen ihre Hardware sehr häufig aus. Diese funktioniert aber noch fehlerfrei und bietet für viele Anwendungen mehr als ausreichend Leistung, so dass auch hier durch intelligente Kreislaufprozesse CO₂-Emissionenen reduziert werden können. Im Übrigen sind auch die supraleitenden Stromschienen modular ausgelegt und wiederverwendbar.

Zögern und Zaudern sind Tabus

Kompendium: „Nachhaltigkeit im Rechenzentrum"

Datacenter müssen effizienter werden, nachhaltiger wirtschaften, in eine sektorübergreifende Kreislaufwirtschaft eingebunden werden. Für kann oder könnte, soll oder sollte, darf oder dürfte ist kein Platz im Sprachgebrauch, wenn es darum geht, die Umwelt zu entlasten.

Zögern, Zaudern, Zaghaftigkeit sind Tabus.

Es muss sein, jetzt, und es wird wehtun.
(PDF | ET 21.09.2021)

Lesen Sie im Kompendium unter anderem:

... wie die Europäische DC-Branche die Vorreiter-Rolle anstrebt.

... wie wir von anderen Branchen lernen können.

... wie Rechenzentren nachhaltig und klimaneutral werden können.

>>> Kompendium: „Nachhaltigkeit im Rechenzentrum“ zum Download

Umdenken im Design erforderlich

Die Autoren des EOS-Konzepts haben sich alle Mühe gegeben, vorausschauend (oder besser: zeitgemäß) denkenden Rechenzentrums-Planern die ökologischen Vorteile eines solcherart gestalteten Hyperscale-Rechenzentrums nachvollziehbar zu machen. Denn es handelt sich bei dem Konzept zweifellos um einen Paradigmenwechsel.

Gleichstrom, Supraleitung, keine Verluste beim Energietransport: diese Parameter sind im Rechenzentrumsbetrieb neu und erfordern ein Umdenken im Design. Auch mit dem Gedanken, flüssigen Stickstoff im Rechenzentrum zu nutzen, muss man sich sicher erst einmal anfreunden.

Dieser sei ungefährlich und man nutze seine Vorteile optimal aus: Er diene nicht nur der Kühlung der Supraleiter, sondern auch dazu, bei Temperaturspitzen die Raumluft zu kühlen und werde zur Brandlöschung eingesetzt, heißt es bei den Autoren des OCP-Gobal-Summit-Vortrags.

Ganz in der OCP-Tradition stellen die Autoren eine offene Spezifikation des Konzepts sowie ein entsprechendes CAD-Modell zur Verfügung, das auch für „Cogeneration“ geeignet ist.

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