Umweltfreundlich, neu, innovativ - der Datacenter-Chiller aus Feldkirchen "Wir kochen Wasser bei 5 Grad Celsius!"

Autor / Redakteur: lic.rer.publ. Ariane Rüdiger / Ulrike Ostler

Ein völlig neuartiges Chiller-System befreit Rechenzentrumsbetreiber vom schlechten Gewissen wegen ozon- oder klimaschädlichen Kältemitteln. Es arbeitet mit Wasser und spart laut Hersteller 50 Prozent Energie. Den RZ-Infrastruktur-Spezialisten Stulz konnte Efficient Energy von einer Partnerschaft überzeugen.

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Nur knapp einen Quadratmeter Standfläche braucht Efficient Energy für 45 Kilowatt Kühlleistung.
Nur knapp einen Quadratmeter Standfläche braucht Efficient Energy für 45 Kilowatt Kühlleistung.
(Bild: Efficient Energy)

Derzeit arbeiten die meisten Rechenzentren noch mit relativ niedrigen Temperaturen von 22 oder 23 Grad, weil sich die Betreiber dabei sicherer fühlen. Das bedeutet aber einen beträchtlichen Kühlaufwand. Ein neues System, das der Startup Efficient Energyaus Feldkirchen bei München entwickelt hat, arbeitet dagegen mit Leitungswasser.

„Wir kühlen mit der Hälfte des Energieaufwands“, so Dr. Klaus Feix, Geschäftsführer von Efficient Energy.
„Wir kühlen mit der Hälfte des Energieaufwands“, so Dr. Klaus Feix, Geschäftsführer von Efficient Energy.
(Bild: Efficient Energy)

Klaus Feix, Geschäftsführer der 2006 gegründeten Firma, die inzwischen auf 52 Mitarbeiter gewachsen ist: „Bisher sind nur einige proprietäre Systeme im universitären Umfeld entstanden, die aber niemals die Serienreife erreichten.“ Dass dies hier möglich war, verdankt sich dem ingenieurtechnischen Genius und der Hartnäckigkeit der beiden Erfinder Holger Sedlak, Diplom-Informatiker, und Oliver Kniffler, Diplom-Elektroingenieur.

Grundlage ist der altbekannte Carnot-Prozess, der Wärmepumpen und Kältemaschinen zugrunde liegt. Er hat vier Stufen: Verdampfen, Verdichten, Kondensieren und Expandieren. In der Regel erzeugt ein solches System heute rund viermal so viel Kälte oder Wärme, wie man hineinsteckt.

Modifizierter Carnot-Prozess und neuer Verdichter

Die Gründer von Efficient Energy, die ursprünglich an eine Wärmepumpe für Häuser dachten, wollten mehr. Ihr Gerät erreicht eine Arbeitszahl von über 8, das heißt, eine Einheit Energie-Input erzeugt achtmal so viel Wärme oder Kälte.

Damit das funktioniert, entwickelten sie ein komplett neues Gerätekonzept, das den Carnot-Prozess in einem geschlossenen System umsetzt. Mit der Außenwelt ist es über zwei Wärmetauscher – einen auf der warmen, einen auf der kalten Seite – verbunden.

Um die Lösung zu realisieren, konzipierten sie einen neuartigen Elektromotor mit extrem hoher Drehzahl (90.000 U/Min) und spezieller Leistungselektronik, der den Anforderungen einer feuchtwarmen Umgebung standhält. Dazu kommt ein komplett neuer Verdichter, der „ct turbo“. Auch dieser ist optimiert für extreme Anforderungen. „Die Rotorblätter des Verdichters mussten, um die hohe Drehzahl von 88.000 U/min zu erreichen, am äußeren Ende extrem dünn und innen sehr robust sein“, erläutert Feix (siehe: Folgeseite).

Chiller nutzt Wasser als Kältemittel

In einer zylindrischen Grundeinheit des Systems sind die verschiedenen Stufen des Carnot-Prozesses kombiniert: Zuerst wird das Kältemittel in einem Grobvakuum und dadurch schon bei Temperaturen ab 5 Grad Celsius verdampft. Der Dampf steigt nach oben in eine Art Trichter, der in den Verdichter, eine Einheit mit zirka 13 Zentimeter Durchmesser, führt.

Der eigens entwickelte Verdichter mit CFK-Rotor.
Der eigens entwickelte Verdichter mit CFK-Rotor.
(Bild: Efficient Energy)

Dort dreht sich der schmiermittelfrei betriebene Rotor aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK). Er komprimiert den Dampf auf rund das Dreifache seiner Eingangsdichte und erhitzt ihn dadurch auf rund 70 Grad Celsius.

Anschließend wird der Dampf abgeleitet und kondensiert, indem er mit kälterem Wasser beregnet wird, Das nunmehr erwärmte Wasser gibt am Wärmetauscher nach außen seine Wärme an ein Rückkühlmedium ab, der Kreislauf beginnt von Neuem. Die warme und die kalte Seite innerhalb der Maschine sind durch die Druckkammern (Grobvakuum/Verdichter) voneinander getrennt.

Das erste kommerzielle Produkt

Praktisch schlägt sich die Erfindung im „E-Chiller45“ nieder, einem Kühl/Wärmerückgewinnungsaggregat mit einer Leistung von 45 Kilowatt, 500 Kilo Gewicht und 1 Quadartmeter Standfläche bei 2,50 m Höhe. Darin stecken drei der oben beschriebenen Grundeinheiten in einer speziellen, patentierten Verschaltung.

Mehrere E-Chiller können parallel oder seriell geschaltet werden, um beliebige Leistungen zu realisieren. Kleinere Ausgaben des Produkts sind geplant, die minimale Leistung wird aus technischen Gründen bei 5 Kilowatt liegen.

Eine Einheit verbraucht einmalig 65 Liter Leitungswasser, die bei Betriebsbeginn eingefüllt werden. Kalk fällt bei der erstmaligen Verdampfung einfach heraus und bleibt am Boden des Wasserbereichs liegen.

Der Einsatz in Rechenzentren

Für den RZ-Betrieb hat das Gerät mehrere Vorteile: Zum einen passt es in jede Klimatisierungsanlage, es lässt sich also über Standard-Schnittstellen mit beliebigen vor- und nachgelagerten Klimatisierungssystemen integrieren. Zum anderen verbraucht es für dieselbe Kühlleistung nur die Hälfte elektrische Energie.

Schnitt durch die zylindrische Grundeinheit des E-Chiller45.
Schnitt durch die zylindrische Grundeinheit des E-Chiller45.
(Bild: Efficient Energy)

Gemessen wurde dies für ein deutsches Standard-Jahrestemperaturprofil und einen Temperaturhub von 6 Grad Celsius (Eingangstemperatur: 22 Grad Celsius, Ausgangstemperatur, 16 Grad Celsius), es funktioniert auch bei jeder anderen Temperaturspreizung.

Der zweite Vorteil zeigt sich bei der Kombination mit Freikühlung: Das Kältemittel Wasser und das Gerätedesign gestatten es, den Verdichter separat abzuschalten, ohne das Kältemittel zu schädigen. Normalerweise muss, wenn ein System je nach Wetter mit Freikühlung und normaler Kühlung betrieben werden soll, die Anlage entweder funktionslos auf niedriger Stufe weiterlaufen oder ein zusätzlicher Kompressor eingebaut werden.

Efficient Energie überzeugt

Insgesamt scheint das Konzept so überzeugend, dass Efficient Energy mit dem RZ-Kühlungsspezialisten Stulz bereits einen namhaften Partner gewinnen konnte, der 2015 eine Produktserie mit der Technologie auf den Markt bringen wird. „Wir verhandeln auch mit einer ganzen Reihe weiterer Firmen“, sagt Feix, der selbst am Unternehmen beteiligt ist.

Auch Investoren scheint das Konzept zu überzeugen. So beteiligte sich unter anderem jüngst das Family Office Strüngmann, einst Eigentümer der Pharmafirma Hexal, an Efficient Energy.

2015, wenn die Serienfertigung beginnt, rechnet Feix mit einem Absatz von 200 bis 300 Einheiten. Die Kapazität des Standorts reicht für eine Jahresproduktion von rund 2000 Stück.

„Wir müssen den Markt erst überzeugen, aber das Interesse ist schon jetzt sehr groß“, fasst Feix den Status Quo zusammen. Der Preis wird etwas höher liegen als bei konventionellen Lösungen, die Amortisationsdauer soll rund drei Jahre betragen, bei einer Betriebsdauer von mindestens fünf Jahren.

* Ariane Rüdiger aus München arbeitet als freie Journalistin.

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Über den Autor

lic.rer.publ. Ariane Rüdiger

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Freie Journalistin, Redaktionsbüro Rüdiger