Wege zu weniger fossiler Energie

Definition von Szenarien

In der ersten Bearbeitungsphase wurden verschiedene Szenarien definiert (Tabelle 1), um typische Konstellationen zu erfassen. Mit zunehmender Größe des Rechenzentrums steigen der Stromverbrauch der Informationstechnik und meist auch die Sicherheitsanforderungen. Für die Modellierung der Konzepte ist der Grad der Versorgungszuverlässigkeit von hoher Bedeutung. Dieser ist in Tabelle 1 durch die Redundanzstufen I bis III (Tier-Level) gemäß der Klassifikation des Uptime Institutes [3] angegeben. Des Weiteren sind für die Modellierung Datensätze und Parameter zur Abbildung der jeweiligen Randbedingungen notwendig, die hier nicht näher beschrieben werden:

Wetterdaten,

Kosten für Energie und Wasser,

Anteil des erneuerbaren Stroms im Netz,

Primärenergiefaktoren für die jeweiligen Energieträger,

Werte für spezifische Emissionen von CO₂,

IT-Last-Profile usw.

Erweiterte technische Konzepte

Tabelle 2 zeigt alle vierzehn Konzepte¹ (Bild 1 bis Bild 18), die im RenewIT-Projekt mit TRNSYS simuliert wurden. Sie sind im Rahmen des ganzheitlichen Ansatzes aus der Integration innovativer und bewährter Technologien entstanden. Viele Konzepte decken eine große Bandbreite der Rechenzentrumsgröße ab (Szenario 1 bis 4, Tabelle 1). Sind große Anlagen erforderlich, lassen sich diese nur mit großen Rechenzentren kombinieren (Szenario 3 bis 4). Auch berücksichtigen die verschiedenen Konzepte die unterschiedliche Verfügbarkeit erneuerbarer Energiequellen in Europa. Die farbliche Markierung in Tabelle 2 soll eine Einordnung unterstützen. Es sind Konzepte mit thermischen und elektrischen Energiespeichern, mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), mit erneuerbaren Energiequellen und mit anderen Lösungen vertreten. Sieben der 14 Konzepte decken sowohl die Kälte- als auch die Stromerzeugung ab. Drei weitere Konzepte basieren vollständig auf dem Strombezug aus dem Netz, verfügen jedoch über elektrische/chemische Speicher, welche eine optimale Nutzung der Netzleistung ermöglichen. Die anderen vier Konzepte sind reine Wärmekonzepte.

Für jedes Konzept wurde ein elektrisches und thermisches Schema für die Stromversorgung bzw. Kühlung entwickelt. Diese Schemata beschreiben im Folgenden die technischen Lösungsansätze. Eine detaillierte Erläuterung liefert [4].

Das nationale Stromnetz (GRID) ist in vielen Konzepten durchgehend verfügbar, um zusätzlichen Strom einzukaufen oder überschüssige Energie aus eigener Erzeugung einzuspeisen². Die elektrischen Schemata für die Stromverteilung haben einen ähnlichen Aufbau. Bild 1 zeigt beispielhaft den Aufbau. Die Schaltanlage (switch gear, SWG) bündelt die Anschlüsse des nationalen Stromnetzes, des Notstromaggregates und der Anlagen zur eigenen Stromerzeugung. Die mechanischen Systeme (mechanical systems, MS) zur Kühlung (Kompressionskälte, Pumpen, Ventilatoren usw.) sowie Nebenverbraucher wie z. B. die Beleuchtung (verschiedene Verbraucher, miscellaneous, MISC) werden mit diesem Strom unmittelbar versorgt. Um auch kurzfristige Ausfälle an empfindlichen IT-Bauteilen zu vermeiden, ist deren Stromversorgung durch weitere Komponenten abgesichert. So gleicht die unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV bzw. UPS in den Abbildungen) kurzzeitige Stromausfälle und kleine Spannungs- oder Frequenzänderungen aus. Stromverteilungseinheiten (PDU) verteilen den Strom anschließend im Serverraum auf die einzelnen Server. Am Server wandelt ein Gleichrichter die Wechselspannung in Gleichspannung um.

Auch die Art der Wärmeabfuhr aus dem Serverraum an die Umgebung ist in diesen Konzepten ähnlich aufgebaut. Im Sommerhalbjahr erzeugt je nach Konzept eine Kompressions- oder Absorptionskältemaschine Kaltwasser zur Kühlung. Die jeweilige Kältemaschine verfügt über einen (hybriden) Nasskühler zur Rückkühlung. Beim Betrieb einer Absorptionskältemaschine steht die Abwärme zum Antrieb aus einem vorgeschalteten Prozess mit Kraft-Wärme-Kopplung (CHP) zur Verfügung. Im Winterhalbjahr übernimmt ein System mit freier Kühlung (direkt, DFAC, oder indirekt, IFAC) die Wärmeabfuhr aus dem Rechenzentrum. Das Umluftsystem (Air Handling Unit) ist für die Wärmeabfuhr aus dem IT-Raum (White Space³, DCA und DCAL) zuständig.

Das Bild 1 zeigt neben dem elektrischen auch das thermische Schema für Konzept 1. Der Strom wird für den Eigenbedarf durch eine PV-Anlage vor Ort produziert. Nur bei Bedarf verwendet das Rechenzentrum Strom aus dem Netz (GRID). Die Kompressionskältemaschine (VCCH) gewährleistet die Kälteversorgung des Rechenzentrums im Sommer. Weiterhin ist ein Eisspeicher (IST) installiert, welcher die zeitliche Entkopplung von Kältelast und Kälteerzeugung erlaubt. So kann bei einer hohen PV-Leistung, bei niedrigen Strompreisen oder bei einem hohen Anteil erneuerbarer Energie im Netz Kälte erzeugt und gespeichert werden. Liegen ungünstige ökologische (z. B. geringer Anteil an erneuerbarer Energie im Netz wegen fehlender Einstrahlung) oder wirtschaftliche (z. B. hoher Strompreis) Randbedingungen vor, kann die Speicherentladung die Rechenzentrumskühlung übernehmen. Dieses Prinzip zeigt auch Bild 2. Es wird bei vielen Konzepten genutzt.

Bild 3 und Bild 4 zeigen jeweils das thermische und elektrische Schema des Konzepts 3. Ein motorisches Blockheizkraftwerk (CHP) nutzt Biogas. Die Kraft-Wärme-Kopplung liefert auch die Antriebswärme für eine einstufige Absorptionskältemaschine (ABCH), die im Sommerhalbjahr die Rechenzentrumskühlung übernimmt. Im Winterhalbjahr wird die Abwärme zur Raumheizung (SPH) und Trinkwassererwärmung (DHW) genutzt. Das heißt, ein Nahwärmenetz versorgt naheliegende Gebäude. Bild 5 zeigt den technischen Lösungsansatz von Konzept 4. Die Luftkühlung des Rechenzentrums (Serverräume) erfolgt im Winter analog zu den anderen Konzepten über die indirekte freie Kühlung (IAFC). Im Sommer wird Fernkälte (DC) in das Lüftungssystem eingekoppelt. Die Serverkühlung erfolgt mit einem Flüssigkeitskreislauf (DCAL). Die Serverabwärme dient einer Wärmepumpe (HP) als Wärmequelle. Nach der Temperaturerhöhung können dann Verbraucher in einem Nahwärmenetz (Raumheizung und Trinkwassererwärmung) versorgt werden. Ein Trockenkühler (DRC) übernimmt die Funktion eines Not- oder Hilfskühlers, wenn überschüssige Wärme vorhanden ist.

Das Konzept 5 (Bild 6) besitzt neben der direkten freien Kühlung mit Luft (DAFC) auch die Möglichkeit, den (hybriden) Nasskühlturm (WCT) zur freien Kühlung mit dem Wasserkreislauf einzusetzen. Die Kompressionskältemaschine (VCCH) mit dem Kaltwasser-Pufferspeicher (CBS) übernimmt die Ersatzversorgung bei sehr hohen Feuchtkugeltemperaturen der Umgebungsluft sowie bei Notsituationen und Wartungsarbeiten. Eine andere Untersuchung [5], [6] zeigte, dass im Winterhalbjahr die freie Lüftung durchgängig und sehr effizient die Kühlung in Deutschland übernehmen kann. Im Sommer sind z. B. in München die Feuchtkugeltemperaturen ausreichend niedrig, um den Kühlturm einzusetzen. Bei einer optimalen Wahl der Betriebsparameter kann die theoretische Betriebszeit auf wenige Stunden pro Jahr begrenzt werden. Bild 7 zeigt im Unterschied zu den vorangegangen Lösungen ein elektrisches Schema mit der Redundanzstufe III. Ein großer Teil der Stromversorgung ist doppelt ausgeführt. Bei Ausfall einer Versorgungsschiene kann der redundante Strang die vollständige Stromversorgung sicherstellen. Im redundanten Strang fehlen die USV-Komponenten.

Eine PV-Anlage und eine Windkraftanlage (WT) produzieren beim Konzept 6 (Bild 8) eigenen Strom, der in Bleiakkumulatoren (ELST, elektrischer/chemischer Energiespeicher) gespeichert wird. Dieses Prinzip kann man auf die Erzeugung vor Ort (on-site) oder an einem anderen Standort (off-site) anwenden. Im Sommerhalbjahr wird die Kompressionskältemaschine (VCCH) in Verbindung mit dem Kühlturm (WCT) verwendet, um die notwendige Kälteleistung für die Kühlung des Rechenzentrums bereitzustellen. Im Winter hingegen erfolgt die indirekte freie Kühlung mit dem Lüftungssystem.

Das Konzept 7 (Bild 9) baut auf Konzept 1 auf. Anstelle des Eisspeichers kommt ein großer Kaltwasserspeicher (CHWST) zum Einsatz. Die Kompressionskältemaschine (VCCH) gewährleistet die Kälteversorgung des Rechenzentrums im Sommer. In den Wintermonaten übernimmt die indirekte freie Kühlung (IAFC) mit Luft die Wärmeabfuhr. Der benötigte Strom wird auch hier vollständig aus dem nationalen Stromnetz (GRID) bezogen, sodass keine eigene Stromerzeugung vorhanden ist. Das elektrische Schaltbild dieses Konzeptes entspricht dem Konzept 5 (Bild 6 rechts).

Das Konzept 8 (Bild 10) ist ähnlich wie Konzept  7 aufgebaut. Auf der Kaltwasserseite fehlt der große Kaltwasserspeicher. Im Gegenzug sollen Lithium-Ionen-Batterien (ELST) elektrische Energie speichern. Damit soll der Strombezug (GRID) vom Stromverbrauch entkoppelt, die Kompressionskältemaschine (VCCH) könnte kontinuierlich bzw. nach Bedarf betrieben werden. Das Ausnutzen von klimatisch günstigen Rückkühlbedingungen zur Kälteerzeugung ist in diesem Konzept aufgrund des fehlenden Kältespeichers nicht mehr möglich.

Das Konzept 9 (Bild 11, Bild 12) baut auf Konzept 3 (Bild 3, Bild 4) auf. In einer Biogasanlage vor Ort erfolgt die Gewinnung des Brennstoffs aus der angelieferten Biomasse. Die Kraft-Wärme-Kopplung (CHP) wird mit einem motorischen Blockheizkraftwerk realisiert. Ein großer Heißwasserspeicher (HWST) nimmt die erzeugte Wärme auf. Nach Bedarf bzw. in Abhängigkeit von der Jahreszeit findet die Kälteerzeugung mit einer Absorptionskältemaschine (ABCH) oder die Deckung der Heizlasten in einem Nahwärmenetz (SPH, DHW) statt. Der Heißwasserspeicher ermöglicht eine zeitliche Entkopplung der Stromerzeugung von den Wärme- bzw. Kältelasten. Die Absicherung der Stromversorgung übernehmen das nationale Netz (GRID) oder Stromerzeugungsaggregate mit Dieselmotoren (GE). Auf der Kälteseite kommen bei Notfällen oder anderen besonderen Situationen Kompressionskältemaschinen (VCCH) zum Einsatz.

Konzept 11 (Bild 13) nutzt feste Biomasse. Diese wird verbrannt, um in einem Dampfkraftwerk (STP) vor Ort (on-site generation) Strom und Wärme zu erzeugen (Kraft-Wärme-Kopplung). Ein Anschluss an das Stromnetz ist im Modell nicht vorgesehen. Analog zu Konzept 9 (Bild 11) wird die Abwärme zum Antrieb einer einstufigen Absorptionskältemaschine (ABCH) genutzt oder in ein Fernwärmenetz (DH) eingespeist. Aufgrund der Mindestgröße von Dampfkraftwerken mit Wärmeauskopplung eignet sich dieses Konzept für Fernwärme bzw. sehr große Rechenzentren. Das elektrische Schaltbild dieses Konzeptes entspricht dem von Konzept 9. Anstelle des Dampfkraftwerks steht ein synthesegasbetriebenes BHKW zur Verfügung.

Konzept 12 (Bild 14) ist für einen speziellen Anwendungsfall konzipiert. Das Meer soll zwei Funktionen übernehmen: die Stromerzeugung mittels Wellenkraftwerk (WVP) und die Kühlung mit Meerwasser (SW). Man muss annehmen, dass das Wellenkraftwerk nicht durchgängig die Versorgung übernehmen kann. Deswegen wurde modellseitig ein Anschluss an das nationale Stromnetz vorgesehen (hier nicht dargestellt). Bei einer ausreichenden Meerestiefe kann die Kälteversorgung ganzjährig durch das Meerwasser erfolgen. Ein Wärmeübertrager (HEX) trennt das salzige und korro-sive Meerwasser vom Wasser des Kühlkreislaufs im Rechenzentrum. Die Kompressionskältemaschine (VCCH) dient wiederum zur Absicherung der Kälteversorgung. Aufgrund der relativ hohen Fixkosten des Wellenkraftwerks und der freien Kühlung mit Meerwasser eignet sich dieses Konzept nur für große Rechenzentren. Das elektrische Schaltbild dieses Konzeptes entspricht dem von Konzept 9 mit einem Wellenkraftwerk anstelle eines synthesegasbetriebenen BHKWs.

Konzept 13 (Bild 15) sieht einen Aquiferspeicher (ATES) zur freien Kühlung des Rechenzentrums vor. Der Aquiferspeicher wird vorzugsweise im Sommer mit der Abwärme beladen. Hier trennt ein Wärmeübertrager (HEX) den Kühlkreislauf des Rechenzentrums vom Grundwasserkreislauf des Aquifers. Im Winter nutzt das Rechenzentrum die indirekte freie Kühlung mit Luft (IAFC). Der beladene Aquiferspeicher fungiert nun als Wärmequelle für eine Wärmepumpe, die ein Fernwärmenetz (DH) versorgt. Aufgrund des hohen Fixkostenanteils, insbesondere der Speichertechnik, ist dieses Konzept nur für große Rechenzentren geeignet. Im Unterschied zu Konzept 11 und 12 sind hier die Redundanzstufe III und der Strombezug aus dem nationalen Netz (GRID) vorgesehen.

Das Konzept 14 (Bild 16) ist eine Kombination der Konzepte 7 und 8. Durch den Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien (ELST) und eines großen Kaltwasserspeichers (CHWST) kann die Erzeugung von Kälte sehr flexibel erfolgen bzw. es können günstige Randbedingungen genutzt werden (hoher Anteil erneuerbarer Energie im Netz, preiswerter Strom, günstige Rückkühl-/Betriebs-bedingungen für die Kältemaschine).

Das in Bild 17 gezeigte Konzept 15 basiert auf dem thermischen und dem elektrischen Aufbau der anderen Konzepte mit Kraft-Wärme-Kopplung (Konzept 3, 9, 11, 15). Hier übernimmt eine Brennstoffzelle, die mit Biogas betrieben wird, die Versorgung. Das Betriebskonzept hat sich gegenüber den anderen Kraft-Wärme-Kopplungs-Konzepten nicht geändert.

Dem Konzept 16 (Bild 18) liegt das Konzept 14 zugrunde. Anstelle eines großen Kaltwasserspeichers kommt ein Eisspeicher zum Einsatz. Dieser besitzt eine höhere Energiespeicherdichte und kann tendenziell besser bei kleinen Versorgungssystemen eingesetzt werden. Das elektrische Schaltbild dieses Konzeptes entspricht dem von Konzept 14.

Danksagung

The research leading to these results has received funding from the European Union’s Seventh Framework Program FP7/2007-2013 under Grant Agreement nº 608679 – RenewIT.

Besonderer Dank gebührt auch Herrn Dipl.-Ing. Thomas Schmidt (Solites), der das TRNSYS-Modell TRNAST für die Modellierung zur Verfügung gestellt hat. 

^{Die Namen der Autoren sind unterstrichen.}

(v. l.) David Wesdorp⁴, Josep Maria Herrera³, Eduard Oró³, Jaume Salom³, Andrew Donoghue⁵, Mieke Timmermann⁴, Mario Macias⁶, Daniela Isidori⁷, Thorsten Urbaneck¹, Massimiliano Manca⁷, Mauro Canuto⁶, Bastiaan Beerens⁴, Nirendra Lal Shrestha¹

^{Nicht auf dem Foto}

Noah Pflugradt¹, Verena Rudolf¹, Bernd Platzer¹, Oscar Càmara², Angel Carrera², Albert Garcia³, Hans Trapman⁴

¹ Technische Universität Chemnitz, Fakultät für Maschinenbau, Chemnitz, Deutschland

² AIGUASOL, Barcelona, Spanien

³ IREC Katalanisches Institut für Energieforschung, Barcelona, Spanien

⁴ Deerns Nederland B. V., Nijmegen, Niederlande

⁵ 451 Research, London, Großbritanien

⁶ Barcelona Supercomputing Center, Barcelona, Spanien

⁷ Loccioni Group, Ancona, Italien

1 Im ersten Schritt wurden achtzehn Konzepte entworfen, um viele Technologien für verschiedene Standorte in Europa vorzuhalten. Nach einer ersten Analyse verwarfen die Autoren vier technische Ansätze. Die Nummerierung in Tabelle 2 ist deswegen nicht konsistent.

2 Dem Ansatz liegt das Smart-City-Konzept zugrunde. Es erfolgt ein Ausgleich zwischen dem Rechenzentrum und seiner Umgebung.

3 White Space bezeichnet den Bereich, in dem sich die eigentlichen IT-Anlagen des Rechenzentrums befinden.

Abkürzungsverzeichnis

B Blockheizkraftwerk

BZ Brennstoffzelle

Da Dampfkraftwerk

EE Erneuerbare Energien

EES elektrische (chemische) Energiespeicher

G Gassynthese

IT Informationstechnik

KWK Kraft-Wärme-Kopplung

RZ Rechenzentrum

Sch Schema

TES thermische Energiespeicher

USV unterbrechungsfreie Stromversorgung

Literatur

[1] Shrestha, N. L.; Urbaneck, T.; Pflugradt, N.; Rudolf, V.; Platzer, B.; Càmara, O.; Carrera, A.; Salom, J.; Oró, E.; Garcia, A.; Timmermann, M.; Trapman, H.: Umweltfreundliche Versorgung von Rechenzentren: Teil 1 – Einleitung. KK 3/2017, Seite 50–54

[2] Salom, J.; et al.: www.renewit-project.eu. Projektseite, 20132016

[3] Data Center Site Infrastructure Tier Standard (Hrsg.): Topology. Uptime Institute. Verfügbar unter: http://www.onepartner.com/Portals/4/Docs/uptime_institute_standard_tier_topology.pdf. [Zugriff am 4. August 2014]

[4] Shrestha, N. L.; Pflugradt, N.; Urbaneck, T.; Carrera, A.; Oró, E.; Garcia, A.; Trapman, H.; de Nijis, G.; van Dorp, J.; Macías, M.: Catalogue of advanced technical concepts for Net Zero Energy Data Centres, 2015

[5] Holzhauser, L.; Urbaneck, T.; Pflugradt, N.; Shrestha, N.  Lal; Platzer,  B.: Kühlung von Rechenzentren, Teil 1: Technische Varianten zur freien Kühlung. ki Luft- und Kältetechnik, Hüthig 52. Jg. (2016) Heft 67, Seite 4448, ISSN 18655432

[6] Holzhauser, L.; Urbaneck, T.; Pflugradt, N.; Shrestha, N. Lal; Platzer, B.: Kühlung von Rechenzentren, Teil 2: Einfluss verschiedener Temperaturen auf die freie Kühlung mit Luft. ki Luft- und Kältetechnik, Hüthig 52. Jg. (2016) Heft 89, Seite 4450, ISSN 1865-5432