RZ-Kühltechnologien

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Warum so wasserscheu?

© Thaut Images – Fotolia

Von Ariane Rüdiger, freie Autorin (München)

Rechenzentren erzeugen Wärme und brauchen Kühlung. Doch die herkömmlichen Kühlmethoden ließen sich deutlich verbessern. „Im Grunde ist ein Rechenzentrum eine Anlage, die aus kalter Luft warme macht, welche dann in die Umwelt verpufft, denn Bits tragen keine Energie“, so Dr. Hans-Joachim Popp, CIO des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), in seinem Vortrag auf der diesjährigen Future-Thinking-Ausstellung in Darmstadt. Wer mehr Effizienz von Rechenzentren wolle, müsse sich auf innovative Technologien wie Flüssigkühlung und Abwärmerückgewinnung einlassen. Popp fordert in diesem Zusammenhang mehr Mut und mehr interdisziplinäres Denken. IT und Facility Management müssten enger zusammenarbeiten, um beispielsweise eine Überdimensionierung der Infrastruktur aus Sicherheitsgründen zu verhindern. Popp: „Wir müssen entscheiden, mit welchem Restrisiko wir zu leben bereit sind.“

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Schwarz auf weiß
Dieser Beitrag erschien zuerst in unserer Magazin­reihe „Rechen­zentren und Infra­struktur“. Einen Über­blick mit freien Down­load-Links zu sämt­lichen Einzel­heften bekommen Sie online im Presse­zentrum des MittelstandsWiki.

Tatsächlich sagt selbst ein hervorragender PUE-Wert (Power Usage Effectiveness) von 1 nichts über den Energiekonsum der IT aus, sondern belegt nur, dass das Wegkühlen der erzeugten Wärme nicht mehr Strom zieht als die IT selbst; der aktuelle Durchschnittswert deutscher Rechenzentren ist 1,8. Der RZ-Stromverbrauch werde durch die Digitalisierung so oder so vorläufig weiter zunehmen, prognostiziert Dr. Ralph Hintemann, Senior Researcher am Berliner Borderstep-Institut mit Themenschwerpunkt Informationstechnik und Koordinator des neuen Netzwerks energieeffiziente Rechenzentren. Um so wichtiger sei es, innovative Wege hin zu mehr Effizienz zu beschreiten.

Auf der Future Thinking in Darmstadt wurde eine ganze Reihe innovativer Kühl- und Klimalösungen präsentiert, die das Rechenzentrum umweltfreundlicher machen sollen. Ein interessanter Ansatz, den es bisher allerdings nur als Konzept gibt, ist der ICT-Performer. Dieses Mini-RZ in modularer Fertigbauweise enthält thermoelektrische Peltier-Elemente. Sie generieren aus der Temperaturdifferenz zwischen der Zu- und der Abluft Strom, der dann in die Versorgung des Rechenzentrums oder in die Batterien der USV-Anlage zurückgeleitet wird.

Effiziente Abwärmenutzung

Manche Rechenzentren setzen Abwärmenutzung bereits heute ein. Der neue Forschungshochleistungsrechner (ForHLR) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) beispielsweise arbeitet bei 45 °C und wird mit Warmwasser gekühlt, das sich dabei weiter aufheizt; es dient anschließend dazu, Büroräume der Einrichtung zu heizen. Ähnliche Pläne gibt es in Stuttgart, wo die Universität ein eigenes Fernwärmenetz betreibt. Die Abwärme aus der IT soll ab dem kommenden Jahr direkt in dieses Netz fließen und den Bedarf an zugekaufter Heizenergie um 26 % senken.

Nicht immer steht aber ein Abnehmer für die Wärme aus dem Rechenzentrum bereit, denn in Deutschland ist Fernwärme längst nicht so selbstverständlich wie etwa in Skandinavien. Immerhin will die Stadt Frankfurt nach Informationen der Online-Ausgabe der Frankfurter Allgemeinen Zeitung ein Abwärmekataster anlegen, aus dem ersichtlich wird, wo ungenutzte Wärmequellen zur Verfügung stehen.

Oft allerdings ist die RZ-Abwärme nicht heiß genug – zum Heizen muss das Wasser mindestens 55, besser 60° C haben. Die Betriebstemperatur der Rechner muss also steigen, damit die Abwärme ohne weitere Zwischenstufen in einem Heizkreislauf von Nutzen ist. Grundsätzlich ist das möglich, wie das Beispiel des Karlsruher Instituts für Technologie zeigt. Ein weiteres Hindernis besteht darin, dass oft erst eine Rohrverbindung zwischen einem Fernwärmenetz und dem Rechenzentrum geschaffen werden muss. Allein an der Frage, wer die Kosten dafür übernimmt, scheitern immer wieder vielversprechende Pläne.

Flüssigkühlung mit Immersionssystem

Immerhin gibt es neue Erkenntnisse hinsichtlich der Temperaturen, bei denen sich Rechner im RZ betreiben lassen. So versichert Fujitsu, Hersteller des auf der CeBIT vorgestellten Immersionskühlsystems Liquid Immersion Cooling, dass vor allem Temperaturschwankungen, nicht aber höhere Temperaturen an sich dem IT-Equipment zu schaffen machen. Werden die IT-Geräte zuverlässig auf dem gleichen Temperaturniveau gehalten, sinke die Wahrscheinlichkeit von Ausfällen. Bei Immersionsflüssigkühlung sind darum alle rechnenden Elemente von einer Kühlflüssigkeit umgeben, die ständig im Kreislauf geführt und auf einer stabilen Temperatur gehalten wird.

Die oben erwähnte Installation des KIT setzt auf diese Erkenntnis. Allerdings schreckt die RZ-Branche nach mehreren Jahrzehnten der Luftkühlung vor der Wasserkühlung zurück wie der Teufel vor dem Weihwasser. Dabei wurden Rechner zu den Anfangszeiten der IT ganz selbstverständlich mit Wasser gekühlt, erst später ersetzte man es durch Luftkühlmechanismen. Nun wird nach und nach zurückgerudert.

Luftkühlung mit Umlenkkammer

Doch auch im Bereich der Luftkühlung gibt es energieeffiziente Fortschritte, etwa das System CrossXflow der Firma Howatherm Klimatechnik aus Rheinland-Pfalz. Dabei kommt eine Umlenkkammer zum Einsatz, die die Luftströmung ändern kann und damit eine unterschiedliche Behandlung, etwa eine Be- oder Entfeuchtung, durch dasselbe Gerät ermöglicht. Das Rückkühlwerk wird mit Außenluft betrieben, auch Wärmerückgewinnung ist möglich. Durch die Anordnung des Plattenwärmetauschers im Kreuzgegenstrom lässt er sich als Umlenkkammer für Zu- und Abluft verwenden.

MW-KommRZ3.2017.ID010-howatherm002.jpg Blick ins Innere des CrossXflow-Systems von Howatherm. Rote Oberfläche: der Kreuzwärmetauscher. (Bild: Howatherm)

Dank seiner vielen Schaltzustände funktioniert das System bei allen in Europa üblichen Wetterbedingungen. So garantiert es selbst bei 32 °C Außentemperatur und 40 % Luftfeuchtigkeit und einer Abwärme von 35 °C bei 30 % Luftfeuchtigkeit eine Zulufttemperatur von 20 °C, ohne zusätzliche Kühleinrichtung. Eine Kompressionskälteanlage ist nicht mehr erforderlich. Mehrere Einheiten, von denen jede einen Volumenstrom von 6000 m³/h bewältigt, lassen sich kombinieren. Der Leistungsbereich liegt zwischen 1000 und 50.000 m³/h Luftvolumen. Entwickelt wurde die Lösung zusammen mit dem Umwelt-Campus Birkenfeld der Hochschule Trier. Die CrossXflow-Technologie ist zum Patent angemeldet.

Kältemodule mit Wasser

Eine weitere Neuerung ist der eChiller des bayerischen Herstellers Efficient Energy. Dabei handelt es sich um einen 35-kW-Kaltwassersatz, der ohne Kompressor und ohne synthetische Kältemittel auskommt. Das preisgekrönte Gerät verwendet als Kältemittel umweltfreundliches R718, also Wasser. Und aus dem Verzicht auf den Kompressor ergibt sich eine erhebliche Stromersparnis – der Hersteller spricht von bis zu 80 %.

Je nach den gewünschten Wassertemperaturen und der Kälteleistung liegt die Mindestjahresarbeitszahl über 3, aus einer eingespeisten Energieeinheit entstehen also mehr als drei Einheiten Kälte. Sogar dreistellige Werte sollen möglich sein: Je kälter das zu kühlende Wasser, desto höher die Jahresarbeitszahl. Der eChiller arbeitet mit Direktverdampfung von Wasser in einem vakuumdichten geschlossenen Kreislauf und besteht aus zwei baugleichen Kältemodulen, die je nach Bedarf zu- oder abgeschaltet werden.

Adsorptionskältemaschinen

Adsorptionskältemaschinen nutzen für die Kühlung von Rechenzentren nicht Strom, sondern Wärme. Die wird beispielsweise von einem Blockheizkraftwerk (BHKW) geliefert, dann in einem Wärmespeicher zwischengelagert und in Form von heißem Wasser in die Adsorptionskältemaschine geleitet, wo sie den Adsorber regeneriert; nicht benötigtes Wasser fließt in einen Rückkühlkreislauf. Der Adsorber treibt einen Verdampfer an, der wiederum das Kühlmedium, zum Beispiel kaltes Wasser, auf die gewünschte Temperatur kühlt. Das gekühlte Medium verlässt die Kältemaschine, wird optional gespeichert und anschließend in den Kältekreislauf geleitet.

Die Ergebnisse können sich sehen lassen: Kombiniert man eine Adsorptionskälteanlage mit einem BHKW, so lässt sich bei optimaler Nutzung eine Energieeffizienz von mehr als 90 % erreichen. Nahezu die gesamte eingespeiste Energie, bei einem effizienten BHKW meist Gas, wird also entweder in Strom oder in Wärme respektive Kälte umgewandelt. „Damit sich solche Ideen durchsetzen, muss man noch viel Bewusstseinsarbeit leisten“, meint jedoch Sören Paulußen, CEO des Kältemaschinenbauers InvenSor aus Sachsen-Anhalt, wo entsprechende Maschinen hergestellt werden. Die Geräte eignen sich inzwischen auch für kleinere und mittlere Rechenzentren und haben Jahresarbeitswerte von bis zu 7, erzeugen also aus einer Einheit energetischen Inputs bis zu sieben Einheiten Kälte.

Es gibt die Maschinen in verschiedenen Ausführungen, etwa mit kompletter Hydraulikeinheit mit Hochleistungspumpen oder mit der Möglichkeit, bei kaltem Wetter auf Freiluftkühlung umzuschalten. Um die Adsorptionskältemaschine wartungsfrei zu machen, hat InvenSor eine spezielle Technologie namens ActiVac entwickelt. Sie fängt überflüssige Gasmoleküle im Reaktor ein und leitet sie ab. Dadurch entsteht ein Unterdruck, der ein optimales Funktionieren garantieren soll.

Wasserkühlung für IT-Container

Die Flüssigkühlung Hot Fluid Computing hat die Firma Thomas-Krenn aus Niederbayern vorgestellt. Der Hersteller ist bislang vor allem für seine selbst gebauten Server bekannt, mit denen sich viele kleine und mittlere Rechenzentren ausrüsten. „Wir wollen, dass diese effiziente Kühltechnologie endlich auch für Mittelständler bezahlbar und anwendbar wird“, erklärt CEO Dr. David Hoeflmayr.

MW-KommRZ3.2017.ID010-WP 20170425 11 31 49 Pro.jpg Der halbhohe wasserführende Cage des Thomas-Krenn-Systems lässt sich entweder in ein 19-Zoll-Rack montieren oder aber, wie hier, attraktiv ummanteln und dann etwa im Büro nutzen. (Bild: Ariane Rüdiger)

Statt die beim Rechnen erzeugte Wärme über Luft abzuführen, bekommt die Prozessorseite ein flächendeckendes Kühlmodul, das von Wasser durchflossen wird. Jedes Modul hat einen aus der Raumfahrt stammenden, gasdichten Anschluss an den Wasserkreislauf des Gesamtsystems. Bislang hat Thomas-Krenn einige Server, Switches und Stromversorgungen mit solchen Kühlmodulen versehen; Festplatten sollen folgen. Die Module werden auf Schienen in ein Chassis geschoben, rasten ein und werden festgeschraubt. Der Cage besteht vorwiegend aus wasserdurchströmtem Metall und besitzt neben den Wasseranschlüssen einen Wärmetauscher, eine Pumpe und ein Druckausgleichsgefäß. Der Wärmetauscher entzieht dem im Kreislauf geführten Wasser die Wärme und leitet sie beispielsweise an einen Heizkreislauf weiter.

MW-KommRZ3.2017.ID010-WP 20170425 11 31 58 Pro.jpg Servermodule von Thomas-Krenn mit aufmontiertem wasserführendem Kühlkörper. (Bild: Ariane Rüdiger)

Das Chassis gibt es in einer halbhohen und in einer Ausführung in voller Höhe. Die halbhohe Version passt in ein konventionelles 19-Zoll-Rack, lässt sich aber auch mit einer ansprechenden Hülle versehen und als IT-Container im Büro aufstellen. Die eingebrachten IT-Komponenten werden außer durch den Kühler auf der Oberfläche nicht verändert, weshalb Thomas-Krenn auch Geräte von Drittherstellern ausrüsten kann. Große Wasserschäden sind übrigens auch durch ein Auslaufen des Systems nicht zu erwarten – der halbhohe Cage fasst gerade einmal etwa 10 l. Den Service übernimmt Thomas-Krenn. Noch 2017 will der Hersteller erste Pilotprojekte anlaufen lassen.

Schwungrad-USV für den Mittelstand

Diese Lösung der niedersächsischen Piller Group könnte vor allem in mittelgroßen Rechenzentren zum Einsatz kommen: Beim CPM-System (Critical Power Module) handelt es sich um ein Schwungrad-USV mit fünf Betriebszuständen und einer Schwungmasse, die vom Betriebsstrom in Gang gehalten wird. Fällt der Strom aus, dreht es sich 20 Sekunden weiter und erzeugt auf diese Weise den nötigen Strom, um die Zeit bis zum Anlaufen des Dieselgenerators oder zum Herunterfahren zu überbrücken. Des Weiteren hat das Gerät ein geschlossenes Wärmetauschsystem, um Abwärme abzuführen. Die Ausgangsleistung beträgt 300 bis 360 kW.

MW-KommRZ3.2017.ID010-piller cpm001.jpg Die mit einer USV gekoppelte Schwungmasse des CPM von Piller ersetzt in kleineren bis mittelgroßen Rechenzentren die konventionellen USV-Systeme mit Batteriebänken. (Bild: Piller)

Die Vorteile liegen darin, dass die sonst üblichen Batterieräume einschließlich Kühlung, Umgang mit Chemikalien, Sicherheitseinrichtungen, regelmäßiger Wartung etc. überflüssig werden. Piller spricht von einer Platzeinsparung von 25 % gegenüber Batterie-USVs. Das System verträgt Umgebungstemperaturen bis 45° C, kann also auch direkt im Rechnerraum arbeiten. Wird das Rechenzentrum ausgebaut, lassen sich mehrere Module kaskadieren. Selbstlernende Algorithmen optimieren zudem den Betrieb. So schaltet die Software gerade nicht benötigte CPM-Einheiten aus, sodass Strom gespart wird. Den energetischen Wirkungsgrad gibt Piller mit bis zu 99 % an. Geld lässt sich mit der Lösung aber nicht unbedingt sofort sparen – die Amortisationsdauer entspricht laut Piller etwa der Lebensdauer einer Batterie.

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