Ist das möglich? Rechenzentren ohne Dieselgeneratoren

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Immer wieder ist zu hören, dass Betreiber von Rechenzentren gerne auf ihre Dieselgeneratoren verzichten würden. Nicht nur, weil sie teuer in der Anschaffung sind und danach die meiste Zeit untätig herumstehen, sondern auch weil sie als schmutzig gelten, stoßen sie doch sowohl Kohlendioxid als auch potentiell schädliche Partikel aus.

Die Nachteile des Dieselgenerators sind leidlich bekannt:

• Er hat einen hohen Wartungsaufwand, besonders wenn eine hohe Verfügbarkeit erreicht werden muss.

• Er stellt hohe bauliche Anforderungen an den Aufstellort; Abgasanlage und Tanksicherheit spielen eine große Rolle.

• Seine Kapazität kann nicht angepasst werden.

• Er mag keine Kälte.

• Sein Diesel ist nur eingeschränkt lagerfähig.

• Er ist laut.

• Sein elektrischer Wirkungsgrad ist niedrig.

• Er stößt Luftschadstoffen und CO₂ aus.

Das alles ist nicht so prickelnd - sollten Dieselgeneratoren also zum alten Eisen gelegt werden? Und wenn ja: Was wären die Alternativen?

Diesel kann auch sauber

Dieselmotoren neuster Bauart sind überraschend schadstoffarm. Nach dem medialen Dauerfeuer ob gerissener Grenzwerte und vermeintlich mordsgefährlicher Feinstaubschleudern ist die Botschaft unabhängiger Tester aber wohl nicht zu jeden vorgedrungen: Diesel-Motoren der neusten Generation sind nicht nur vergleichsweise sauber, sie sorgen sogar aktiv für reinere Luft. Das haben Dirk Gulde von der „Auto, Motor & Sport“ sowie Abgasspezialisten von Emissions Analytics im September dieses Jahres bewiesen.

In umfangreichen Testreihen haben sie moderne Euro-6d-Temp-Diesel in Autos untersucht und zweifelsfrei festgestellt, dass sie kaum noch Stickoxide ausstoßen. Die Werte liegen teils bei einem Zwanzigstel dessen, was frühere Euro-6-Autos emeritiert haben. Ganz zu schweigen von dem, was noch vor 20 Jahren aus den Auspuffen kam. Damit aber nicht genug: „Es klingt kurios, aber ein Diesel holt tatsächlich sehr häufig mehr Feinstaub aus der Umgebungsluft, als er selbst hinzufügt.“

Saubere Dieselmotoren sind also möglich und längst im Einsatz. Leider nicht in Notstrom-Generatoren, wie sie für Rechenzentren herangezogen werden. Hier werden auf Wunsch Partikelfiltergeräte angepasst, um den Feinstaub zu reduzieren. Grundsätzlich aber gilt: Verbrennungsmotoranlagen ausschließlich für den Notantrieb, dürfen laut den Technischen Anleitung zur Reinhaltung der Luft (TA Luft) zum Bundes-Immisionsschutzgesetz (BImSchG) über einen Staubgrenzwert von 80 Milligramm pro 80 Milligramm pro 80 Milligramm pro Normkubikmeter (mg/mn³ ) verfügen, die Grenzwerte für Stickstoffoxide (NOx)- und Kohlenstoffmonoxid (CO)-Emissionen gelten gar nicht.

Alternativen

Dennoch (oder vielleicht gerade deswegen) kann man sich nach Alternativen umsehen, die zum einen günstiger sind in Anschaffung und Betrieb, zum anderen vielleicht weniger Schadstoffe erzeugen. Gibt es so etwas? Gerade sehr große Betreiber von Rechenzentren hoffen auf neue Technologien, denn sie haben durchaus mit hohen Kosten und Umweltauflagen zu kämpfen.

Flüssig- oder Erdgas

Im Zuge des Anti-Diesel-Hypes 2017 und 2018 warben diverse Anbieter von Generatoren mit gasbasierter Stromerzeugung, sie sei gerade für Betreiber von Rechenzentren im Hinblick auf Umwelt und Kosten besser geeignet als die mit Diesel. Zudem locken Energieversorger mit finanziellen Anreizen beim Umstieg von Diesel auf Gas.

Zunächst wäre da an eine Umrüstung bestehender Diesel-Geräte zu denken, diese ist jedoch nicht ohne Komplikationen. Aktuellen Bestimmungen für variable Aggregat-Dauerleistung bei Dieselmotoren machen eine gründliche Abgasaufbereitung nötig. Die ist nicht billig, oft kommt die Anschaffung neuer Generatoren mit Flüssig- oder Erdgas günstiger. Neuste gasbetriebene Modelle überzeugen auch mit ihrer Leistung, was früher nicht so der Fall war.

Interessierte Betreiber müssen das Angebot an Diesel- und Gas-Generatoren vergleichen und dann entsprechend ihrem Budget und dem grünen Gewissen entscheiden. Das Verbrennen beider Materialien erzeugt jedoch Schadstoffe. Vielleicht geht das auch noch sauberer?

Brennstoffzellen

Etwa mit Gas als Wasserstoffquelle. Brennstoffzellen wandeln Erdgas in Wasserstoff um. Dieser reagiert mit zugeführtem Sauerstoff aus der Luft in einer umgekehrten Elektrolyse zu Wasser. Es kommt zu einer elektrochemischen Reaktion, in der Strom (und Wärme) entstehen. Diese `kalte Verbrennung´ hat aber zwei Nachteile: Erstens kosten sie pro Kilowattstunde (kWh) mehr als Generatoren. Zweitens erfordern sie abhängig von der Brennstoffzellenarchitektur eine kontinuierliche, stetige Last.

Andy Lawrence, Mitbegründer und Executive Director of Research beim Uptime Institute, nennt in seinem jüngsten Blog trotzdem die Kombination aus „Brennstoffzellen, Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ionen) und viel Management-Software“ als interessante Alternative zum Diesel-Generator. Aber auch er hat die Irritationen zu dem Thema wahrgenommen: „Die Verwendung von Brennstoffzellen für Rechenzentren ist umstritten und heiß diskutiert.

Einige, darunter die Stadt Santa Clara in Kalifornien, behaupten, dass Brennstoffzellen, wie Generatoren, nicht sauber und grün sind, weil die meisten fossiles Gas verwenden“, so Lawrence. So ist die Euphorie bezüglich Wasserstoff als Energiequelle für Rechenzentren weitgehend verpufft.

Das deutsche Unternehmen Solidpower ist einer der Kräfte, die nicht lockerlassen wollen. In Seattle hat es zehn Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) direkt an Racks in einem Rechenzentrum von Microsoft angebracht. Chris Belady, General Manager für Rechenzentren und Infrastruktur bei Microsoft, hofft so auf Einsparungen bei den Energiekosten in Höhe von mehreren 100 Millionen Dollar im Jahr. Das Pilotprojekt läuft seit zwei Jahren. Ergebnis offen.

Auch der Rolls-Royce-Geschäftsbereich Power Systems hat erst kürzlich mitgeteilt, mit Brennstoffzellen Rechenzentren befeuern zu wollen. Anfang 2020 ist der Bau einer Notstromversorgung für das Rechenzentrum von Rolls-Royce in Friedrichshafen auf Grundlage von Modellen aus der Produktion der Mercedes-Benz Fuel Cell GmbH geplant..Auch hier müssen die Ergebnisse abgewartet werden.

„Allgemein ist festzuhalten, dass sich Brennstoffzellen heute besonders dort für Notstromversorgungen eignen, wo hohe Verfügbarkeitsanforderungen - Brennstoffzellen erreichen dies ohne hohen Wartungsaufwand - mit seltener Einsatzhäufigkeit zusammentreffen, denn im Gegensatz zu Diesel altert bevorrateter Wasserstoff nicht“, urteilt das Energie-Consulting-Unternehmen E4tech in einer Untersuchung für die NOW GmbH. „Eine Wasserstofflogistik muss aber auch bei geringem Bedarf vorhanden sein.“ Diese Logistik ist weitaus aufwändiger als für Diesel, versteht sich.

Batterien

Mittlere und große Rechenzentren haben einen hohen Strombedarf und benötigen in den meisten Fällen eine hohe Verfügbarkeit. Da darf bei der (Not-)Stromversorgung nicht gekleckert werden. Kleinere Rechenzentren unter 500 Kilowatt (kW) könnten dagegen mit Li-Ionen-Batterien betrieben werden. „Wenn sich die Technologie verbessert und die Preise sinken, werden solche Bereitstellungen an der Tagesordnung sein“, so Andy Lawrence. „Darüber hinaus könnten diese Systeme, wenn sie neben einem kleinen Generator verwendet werden, über einen längeren Zeitraum Strom liefern.“

Zur neuen Leistungsfähigkeit trägt die technische und wirtschaftliche Reifung der Li-Ionen-Batterie bei. Von 2010 bis 2018 sanken die Kosten für solche Batterien laut Bloomberg-NEF (New Energy Finance) um 85 Prozent. Die meisten Analysten gehen davon aus, dass die Preise in den nächsten fünf Jahren weiter fallen werden. Lithium-Ionen-Akkus sind die effektivsten und günstigsten am Markt erhältlichen, deswegen finden wir sie auch in Smartphones und Autos. Die darin eingesetzten Rohstoffe wie Kobalt sind aber rar und irgendwann ausgebeutet.

Alternativ wird deswegen aktuell viel an Natrium-Ionen-Batterien geforscht. An entsprechenden Aktivmaterialien und Elektrolyte sitzen aktuell nicht zuletzt Wissenschaftler des vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gegründeten Helmholtz-Instituts Ulm (HIU), vom Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) und der Friedrich-Schiller-Universität Jena (FSU). Ihr gemeinsames „Projekt Transition“ hat flüssige und polymere Natrium-Ionen-Batterien zum Ziel, die auf der Kathodenseite Übergangsmetallschichtoxide und auf der Anodenseite Hartkohlenstoff aus Biomasse einsetzen.

Noch im vergangenen Jahr machte eine Nickel-Salz-Batterie von sich Reden, auch als „ZEBRA“-Batterie (Zero Emission Battery Research Activities) bezeichnet. Versionen davon sind bereits im Einsatz, nicht zuletzt General Electric setzt sie in Kraftwerken ein, der Forschungsbedarf ist aber weiter hoch. So testen aktuell Wissenschaftler des IKTS Fraunhofer Institut Hermsdorf einen Natrium-Nickel-Chlorid-Akku, der fünf kWh Strom in 22 Zellen speichert, einfaches Kochsalz in den Membranen einsetzt und in Kombination mit erneuerbaren Energien Tag und Nacht Strom vorhalten soll.

Das hört sich vielversprechend an, in der Praxis sind für Betreiber von Rechenzentren aktuell jedoch nur Li-Ionen-Batterien interessant. Einige wenige Pilotprojekte weltweit setzen sie für den (Notfall-)Betrieb von Servern und deren Belüftung ein. Das Ziel ist es in der Regel nicht, die Generatoren ganz zu eliminieren, sondern ihnen Teile der Arbeitsbelastung abzunehmen. Wir werden natürlich laufend über die dabei erzielten Fortschritte berichten.

Management

Wenn Versuche unternommen werden, die Abhängigkeit von Generatoren zu vermindern, kommt in der Regel auch die umfangreiche Nutzung alternativer Energiequellen ins Spiel. Die Hyperscaler mit ihren Rechenzentrums-Clustern setzen auf Verfügbarkeitszonen, Traffic Switching, Replikation, Load Management und Management-Software, um schnell umschalten zu können, wenn ein Rechenzentrum keinen Strom mehr hat.

„Solche Architekturen erweisen sich bis zu einem gewissen Grad als sehr wirksam, aber sie sind teuer, komplex und bei weitem nicht ausfallsicher“, so der Uptime-Manager Lawrence. Das werde sich allerdings in absehbarer Zeit ändern, irgendwann werde auch dieses Energiemanagement-Problem gelöst sein. Für Betreiber von Rechenzentren, die ihre Diesel-Generatoren einfach nur umweltfreundlich austauschen wollen, spielen die Pläne der Hyperscaler jedoch keine Rolle.

Ausblick

Wir sehen: Ende 2019 finden sich viele Ansätze weltweit, Dieselgeneratoren als Notstromgeneratoren für Rechenzentren zu ersetzen. Eine einzige, wirklich überzeugende Alternative ist aber noch nicht gefunden worden, wiewohl die Forschungen auf Hochtouren laufen.

Brennstoffzellen leuchten als Alternative ein, sind immer wieder mal im Gespräch und werden hoch gehandelt. Wer sich aber schon einige Jahre mit den Forschungen dazu beschäftigt hat, kennt auch die vielen Rückschläge. Möglicherweise wird die Technologie niemals im großen Stil Marktreife erlangen.

Das ist kein Grund zur Verzweiflung: Sobald die neuen, wirklich sauberen Dieselmotoren der Schadstoffklasse Euro-6d-Temp auch in Notstromaggregaten Verwendung finden, scheint die Suche nach alternativen Möglichkeiten nicht mehr gerechtfertigt. Aber man wird sehen, was den Entwicklern noch so alles einfällt.

Bis dahin gilt, was uns der bekannte Rechenzentrumsexperte Bernd Dürr mit auf den Weg gibt. Demnach „haben wir bei den Dieselgeneratoren nicht so das Umweltproblem. Diese eine Stunde im Monat für den Notstromtest kann kein Problem sein, zumal auch hier die Vorschriften enorm verschärft wurden. Im Rechenzentrum geht es in erster Linie um Betriebssicherheit und Verfügbarkeit, und da ist der Diesel als Futter für die Notstromaggregate nicht wegzudenken.“

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