Die Aufgabe: Endlich eine Riesenressource knacken Vom H2-Strom für Rechner im Kältebad zur RZ-Wärme für Fuel-Cell-Warmwasser

Wie kann lasen sich die riesigen Abwärmemengen von Rechenzentren sinnvoll ernten und verwenden? Damit beschäftigt sich das von der EU geförderte Projekt „Wedistrict“. Im schwedischen Luleå baut das schwedische RISE-Institut ein Demo-Rechenzentrum mit Brennstoffzellen als primärer Energiequelle und Einspeisung der Abwärme ins Fernheiznetz.

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Rechenzentren sollen sich zukünftig stärker in die Gesamt-Energieinfrastruktur integrieren. Die Brennstoffzellen in Luleå werden mit Biogas gefüttert, dem bis zu 35 Prozent regenerativ erzeugter Wasserstoff beigemischt werden dürfen.
Rechenzentren sollen sich zukünftig stärker in die Gesamt-Energieinfrastruktur integrieren. Die Brennstoffzellen in Luleå werden mit Biogas gefüttert, dem bis zu 35 Prozent regenerativ erzeugter Wasserstoff beigemischt werden dürfen.
(Bild: RISE)

Wohl kaum jemandem ist bewusst, wie gigantisch die Abwärmemengen des Computing wirklich sind. Denn der Blick war in den vergangenen Jahren starr auf die PUE (Power Usage Effectiveness) von Rechenzentren gerichtet. Doch dieser Parameter befasst sich nur damit, den Kühlaufwand in einem vernünftigen Verhältnis zur fürs Rechnen verwendeten Energie zu setzen. Das ist immerhin etwas, aber längst nicht genug.

Warum, das offenbart ein Blick ins Theoretisch-Konzeptionelle. So zeigte in den 60er Jahren Rolf Landauer in einem als klassisch geltenden Aufsatz, zunächst erschienen in einem IBM-Journal: Beim digitalen Rechnen stecken in den Daten am Ende nur 0,03 Prozent der Energie. Der Rest geht buchstäblich als Abwärme durch den Schornstein - ob mit oder ohne niedrigem PUE.

Riesen-Abwärmeressource knacken

„Diese gigantische Ressource ist die, an die wir ran müssen, wenn Rechenzentren nachhaltig werden sollen“, fordert heute Jon Summers, wissenschaftlicher Leiter des Bereichs Rechenzentren an der nordschwedischen Forschungsinstitution RISE ICE. Diese Aufgabe versucht RISE mit seiner Teilnahme am von der EU mit „Horizon-2020“ geförderten Projekt Wedistrict zu lösen.

Berechnet man die Abwärme der europäischen Rechenzentren, ergibt sich laut Summers ein Potential von immerhin 80 Terawattstunden (TWh) in Europa – dem Stromverbrauch der Rechenzentren minus den 0,03 Prozent, die letztlich in den Daten stecken. Dieses Potential könnte verwendet werden, verpufft aber heute sinnlos.

Wärmebedarf passt nicht zu Abwärmemuster der Rechenzentren

Dem steht ein gewaltiger Wärmebedarf gegenüber, der zu etwa 63 Prozent für die Heizung im Winter benötigt wird. Problem dabei: Rechenzentrumsabwärme entsteht vor allem im Sommer, genau dann, wenn die Heizung aus ist.

Weitere knapp 15 Prozent fließen in warmes Wasser. „Weil auch Unternehmen heißes Wasser für bestimmte Prozesse brauchen, liegt hier eventuell eine sommerliche Verwertungsmöglichkeit der Datacenter-Abwärme“, meint Summers.

Abwärmenutzung plus nachhaltig versorgte Brennstoffzelle

Das RISE-Projekt will nun gleich zwei relative Novitäten kombinieren: Einmal die Nutzung von Abwärme. Dafür gibt es auch in Deutschland schon diverse Vorbilder. Einer der Vorreiter ist hier Frankfurt, wo ein Rechenzentrum von Telehouse einen Teil des Neubaugebiets Westville mit Heizenergie versorgen soll (siehe: „Jetzt wird´s ernst; Telehouse liefert Wärme aus dem Rechenzentrum für Wohnquartier 'Westville' “).

Dr. Jon Summers, wissenschaftlicher Leiter des Datenzentrums-Bereichs von RISE ICE: „Beim digitalen Rechnen gehen 99,97 Prozent der Energie als Abwärme verloren - die müssen wir verwerten.“
Dr. Jon Summers, wissenschaftlicher Leiter des Datenzentrums-Bereichs von RISE ICE: „Beim digitalen Rechnen gehen 99,97 Prozent der Energie als Abwärme verloren - die müssen wir verwerten.“
(Bild: Rüdiger/RISE)

Zum anderen die Verwendung von mit Biogas 'gepowerten' Feststoff-Brennstoffzellen als primärer Energiequelle sowie Abwärmelieferant. Summers: „Brennstoffzellen-Implementierungen in Rechenzentren gibt es einige in den USA, aber keines dieser Projekte betreibt Wärmerückgewinnung. Außerdem werden die Brennstoffzellen dort über Naturgas versorgt, was keine erneuerbare Energie ist.“

Standort: alles andere als günstig

Besonders herausfordernd an dem Projekt sind zwei Aspekte: Zum einen befindet sich Luleå weit im Norden. Wegen der Kälte wird das Fernwärmenetz mit hohen Temperaturen gefahren – im Sommer mit 75 Grad Celsius, im Winter unter Überdruck mit 115 Grad Celsius. Diesen Temperaturen soll die Abwärme aus dem Rechenzentrum möglichst nahe kommen.

Zweitens gibt es keine Gaszuleitung zum Standort. Das bedeutet, dass auf dem Gelände in Luleå aus Sicherheitsgründen mindestens 25 Meter vom Datacenter oder anderen Gebäuden entfernt ein mobiler Gasspeicher für rund 4 Tonnen Biogas errichtet werden muss. Ein solcher steht unter einem Druck von 200 Atmosphären.

Eine Gasleitung verbindet Rechenzentrum und Gasspeicher. Ein Modul dieses Speichers auf Rädern soll rund vier Monate halten und wird dann ausgetauscht.

Versorgung mit Haushalts-Brennstoffzellen

Die Umweltfreundlichkeit von Biogas ist umstritten. Doch kann ihm bei der Versorgung der Brennstoffzellen bis zu 35 Prozent grün gewonnener Wasserstoff, etwa aus Windstrom, hinzugefügt werden. Das drückt den Kohlendioxid-Ausstoß.

Durch die Leitung fließt das druckreduzierte Gas an die Brennstoffzellen. Sie erzeugen damit die nötige Energie, um das Rechenzentrum mit Strom zu versorgen. Lieferant der Zellen der Marke „Bluegen“ ist Solid Power, ein Unternehmen, das bislang vor allem Haushalte mit der nachhaltigen Energieform versorgte. Daher schafft eine Bluegen-Zelle nur 2,7 Kilowatt (kW).

Neun mit Biogas gespeiste Brennstoffzellen sollen rund 7.000 Stunden im Jahr die Energie fürs Datacenter liefern.
Neun mit Biogas gespeiste Brennstoffzellen sollen rund 7.000 Stunden im Jahr die Energie fürs Datacenter liefern.
(Bild: RISE)

Weil Solid Power am Einstieg in den Rechenzentrumsmarkt interessiert ist, soll nun die Leistung Schritt für Schritt auf 10 kW pro Quadratmeter Rechnerfläche steigen. Der Hersteller kann also bei dem RISE-Projekt wertvolle Erfahrungen sammeln.

Eingesetzt werden dort neun Brennstoffzellen mit je 1,5 kW Leistung, zusammen also 13,5 kW. Jeweils drei von ihnen sind zu einer Phase zusammengeschaltet, so dass die Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) des Rechenzentrums, die mit 30 kW Batterieleistung ausgerüstet ist, mit Wechselstrom versorgt werden kann.

Datacenter mit Energieversorgung huckepack

Das Rechenzentrum selbst steckt im unteren von zwei übereinander gestellten Containern. Der obere wiegt acht Tonnen und enthält die Anlagen für die Energieversorgung. Insgesamt rund 22 kW Rechnerleistung werden im Rechenzentrum vorgehalten.

Die IT wird in einer inerten Flüssigkeit mit einer Anlage von Submer immersionsgekühlt (siehe auch „Submer stellt die Smartpod X vor Die Zukunft des Immersion Cooling?“. Dabei entsteht ein Abwärmestrom mit etwa 70 Grad Celsius, die Prozessoren erreichen eine Temperatur von rund 55 Grad Celsius.

Die IT wird in einem Immersionstank untergebracht, um einen möglichst warmen Abwärmestrom zu erzeugen und die Geräte effizient zu kühlen.
Die IT wird in einem Immersionstank untergebracht, um einen möglichst warmen Abwärmestrom zu erzeugen und die Geräte effizient zu kühlen.
(Bild: RISE)

Die Abwärme aus dem Immersionsbecken wird zu einem Wärmetauscher geführt, der die zu den Brennstoffzellen fließende Außenluft erwärmt. Dann erzeugen die Brennstoffzellen, die ebenfalls einen eigenen Flüssigkreislauf besitzen, aus dem zugeführten Biogas Strom und Abwärme.

Diese Abwärme wird dem Fernwärmenetz zugeführt. Um sie Schritt für Schritt aufzuheizen, werden die Brennstoffzellen wärmetechnisch in Serie geschaltet.

Summers schätzt, dass das Rechenzentrum theoretisch bis zu 87 Prozent der Zeit, über 7.000 Stunden jährlich, mit Biogas und den Brennstoffzellen betrieben werden und seine Abwärme ins örtliche Fernwärmenetz einspeisen kann.

Disparität der Anlaufgeschwindigkeiten

Weil die Stromversorgung durch die Brennstoffzellen bei hohen Auslastungen nicht ausreicht, gibt es auch einen Anschluss ans konventionelle Stromnetz. In der Praxis wird angestrebt, das Rechenzentrum zwischen 10 und 60 Prozent auszulasten, um die oben angegebenen Werte für die Versorgung per Brennstoffzelle zu erreichen.

Der Teststand der Immersions-Anlage: links (rot) Warmwasser-, rechts (blau) Kaltwasser, dazu jede Menge Messtechnik.
Der Teststand der Immersions-Anlage: links (rot) Warmwasser-, rechts (blau) Kaltwasser, dazu jede Menge Messtechnik.
(Bild: RISE)

Dabei gibt es auch noch ein anderes herausforderndes Moment: Während Rechner sehr schnell hoch- und wieder herunter fahren – mit bis zu 15 kW pro Sekunde – dauert das bei Brennstoffzellen erheblich länger: Sie schaffen nur 270 Watt pro Minute. Was das für die Steuerung des IT-Anlaufvorgangs bedeutet, dürfte eine spannende Frage sein.

Investition in die nachhaltige Datacenter-Zukunft

Im Herbst war das Team um Summers noch damit beschäftigt, die örtlichen Behörden von der Ungefährlichkeit des lokalen Gasspeichers zu überzeugen, um die Baugenehmigung zu bekommen. Die Inbetriebnahme des Pioniervorhabens soll jetzt im Januar 2022 erfolgen.

Die Ernte dieser Bemühungen wird sowieso später eingefahren. Summers: „Wir testen diese Implementierung eigentlich für die Kombination mit Wärmenetzen der vierten Generation. Sie fahren mit geringerer Temperatur, was geringere Wärmeverluste bedeutet und für uns einfacher ist. Wenn wir es unter den ungünstigen klimatischen Bedingungen hier schaffen, geht es überall.“

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