Wege zu weniger fossiler Energie

Parametervariationen berücksichtigen den Einfluss des Standortes in Europa, die nationalen Gegebenheiten, die Rechenzentrumsgröße usw. Viele Konzepte mit erneuerbaren Energien, der Einsatz von thermischen und elektrischen Speichern sowie die Kraft-Wärme-Kopplung mit biogenen Energieträgern sind aussichtsreiche Lösungsansätze, um nichterneuerbare Primärenergie zu ersetzen [5]. Das RenewIT-Tool [6] ermöglicht eine schnelle und einfache Voruntersuchung von sechs der vierzehn vorgestellten Varianten.

Ergebnisse

Die Ergebnisse (Bild 1, Bild 2, Bild 3) werden im Überblick dargestellt (Details in [5]). Der Untersuchung liegt u. a. eine Variation der Standorte in Europa zugrunde. Für die Modellierung wurden ca. 800 relevante Parameter identifiziert. Die meisten Parameter sind voneinander abhängig (z. B. der Strombedarf für einen Ventilator vom umgewälzten Volumenstrom). Diese Zusammenhänge kann man mit analytischen Gleichungen abbilden (wie die Auslegung eines Ventilators). Für die beschriebenen Situationen verblieben ca. 40 unabhängige Parameter (z. B. Nennstromverbrauch der IT, Größe des PV-Feldes). Diese wurden systematisch variiert, um die unterschiedlichen Randbedingungen (beispielsweise Wetter, Preise, Primärenergie im nationalen Stromnetz) zu untersuchen. Es fließen auch die Effizienzmaßnahmen (Schritt 1 bis 4 siehe KK 3/2017 [2]) ein, die hier nicht näher dargestellt sind.

Die Boxplots (Bild 1, Bild 2 und Bild 3) zeigen den Schwankungsbereich wichtiger Größen:

den nichterneuerbaren spezifischen Primärenergieverbrauch (Maß für den Einsatz fossiler Energieträger) in Bild 1,

das RER (renewable energy ratio; Verhältnis der eingesetzten erneuerbaren Energie zum gesamten Energiebedarf) in Bild 2 und

die PUE (power usage effectiveness; Verhältnis des gesamten Energieverbrauchs eines Rechenzentrums zum Energieverbrauch der IT bezogen auf ein Jahr) in Bild 3.

Bild 1 verdeutlicht, dass Systeme mit Kraft-Wärme-Kopplung den nichterneuerbaren Anteil der Primärenergie deutlich senken können. Die Wärme wird zum Antrieb von Absorptionskältemaschinen eingesetzt oder in ein Wärmeversorgungssystem eingespeist. Der Einsatz von PV- oder Windstrom in Kombination mit einer Kompressionskältemaschine führt ebenfalls zu signifikanten Einsparungen. Beim Konzept 1 wird ein thermischer Speicher (Eisspeicher) und beim Konzept 6 ein Batteriespeicher eingesetzt. Die oben genannte Aussage korreliert mit dem Anstieg des Anteils erneuerbarer Energie (RER, Bild 2), d. h., die oben genannte Bewertung kann man auch hier ablesen.

Das Bild 3 mit der Darstellung der PUE zeigt ein anderes Bild. Die Konzepte mit erneuerbaren Energiequellen in Kombination mit thermischen oder elektrischen Speichern erzielen hier bessere Ergebnisse. Gute Werte liefern auch die Konzepte 4, 5 und 13. Konzept 4 nutzt eine Wärmepumpe zur Anhebung des Abwärme-Temperaturniveaus. Anschließend erfolgt die Einspeisung in ein Wärmenetz. Konzept 5 ist technisch mit der Nutzung eines Kühlturms und des Stroms aus dem nationalen Netz mit einem bestimmten Anteil erneuerbarer Energie einfach gehalten, erreicht aber einen beachtlich hohen Kennwert. Konzept 13 kann man nur bei großen Rechenzentren anwenden. Dafür ist ein Aquiferspeicher erforderlich. Dieser wird mit Abwärme aus dem Rechenzentrum beladen. Eine Wärmepumpe erhöht das Temperaturniveau bei der Entladung, sodass wiederum eine Einspeisung in ein Heiznetz möglich ist. Die Varianten mit Kraft-Wärme-Kopplung zeigen bei der Bewertung mit der PUE schlechtere Werte. Das hängt mit der hier vorgenommenen Kennzahlenberechnung zusammen. Die überschüssige Wärme, die in ein Heiznetz eingespeist wird, fließt nicht in die Kennzahlenbewertung ein. Jedoch entsteht in der Versorgungszentrale in der Nähe des Rechenzentrums der Primärenergiebedarf.

Die Bilder 4, 5 und 6 zeigen die Resultate der Effizienzmaßnahmen und des Einsatzes erneuerbarer Energien. Die Maßnahmen werden schrittweise angewandt (Beschreibung des Ansatzes im Teil 1 der Veröffentlichung [2]) und aufsummiert (kumulative Betrachtungsweise). Die Basis für diese Untersuchung bildet das Konzept 6 mit einer IT-Nennleistung von 400 kW am Standort Barcelona. Die Ergebnisse zeigen, dass der Einsatz aller Effizienzmaßnahmen und der erneuerbaren Energien zu einer Reduktion der nichterneuerbaren Primärenergie um 38 Prozent und des PUE-Wertes um 16 Prozent führt. Der Anteil der erneuerbaren Energie (RER) steigt von 20 Prozent auf 42 Prozent.

Bild 7 zeigt die Verteilung der durchschnittlichen jährlichen Energieflüsse für das Konzept 6. Dabei sind alle Effizienzmaßnahmen sowie der Einsatz erneuerbarer Energiequellen abgebildet. Den Strom stellen eine PV-Anlage und eine Windkraftanlage bereit. Diese decken jedoch den Strombedarf nicht vollständig. Aus diesem Grund wird zusätzlich Strom aus dem öffentlichen Netz benötigt, um den Bedarf des Rechenzentrums auszugleichen. Falls ein Überschuss seitens Windkraft- und PV-Anlage besteht, erfolgt eine Einspeisung in das öffentliche Netz.

Der IT-Leistungsbedarf des Rechenzentrums hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie dem Servertyp, den physikalischen Eigenschaften des Kühlmediums und der Auslastung des Servers. Aus diesem Grund zeigt sich eine Abweichung zwischen der tatsächlichen IT-Last und der IT-Nennleistung des Rechenzentrums. Aus dem Diagramm geht ebenfalls hervor, dass durch freie Kühlung ca. 60 Prozent des gesamten Kühlbedarfs gedeckt werden kann. Die restlichen 40 Prozent liefert die Kältemaschine. Das Sankey-Diagramm zeigt auch die thermischen und elektrischen Verluste der einzelnen Subsysteme.

Das RenewIT-Tool

Auf Basis der vorgestellten Konzepte und deren Simulation mit TRNSYS wurde das RenewIT-Tool entwickelt. Das intuitive Programm zur Vordimensionierung bedient man über eine Weboberfläche (Bild 8). Sechs der vierzehn vorgestellten Konzepte (Sch03, Sch04, Sch05, Sch06, Sch14, Sch15) sind implementiert. Das Programm fragt den Nutzer wie folgt ab:

den Standort mit Wetter, die Primärenergiefaktoren, die Kosten,

die grundlegenden Parameter des Rechenzentrums wie das Einsatzgebiet (z. B. Hochleistungsrechnen), die nominelle elektrische Last, den Ausbau mit Hardware, Maßnahmen zum IT-Management,

die Auswahl des Strom- und Kälte-versorgungssystems (Sch03, Sch04, Sch05, Sch06, Sch14, Sch15) sowie die Kühltechnik in den Racks,

Maßnahmen zur Effizienzsteigerung (z. B. Aufbau und Betrieb der USV, thermische Parameter der Serverkühlung) sowie die Dimensionierung der Systeme mit erneuerbarer Energie,

Angabe der Parameter der konfigurierten Lösung.

Der letzte Schritt liefert die Simulationsergebnisse (Bild 9) mit absoluten Werten und Kennzahlen zur energetischen, wirtschaftlichen und ökologischen Bewertung. Es können auch Varianten- bzw. Vergleichsrechnungen durchgeführt werden. Optional kann man ein Ergebnisprotokoll und technische Unterstützung anfordern.

Schlussfolgerungen

Die Darstellung der Ergebnisse zeigt, dass es möglich ist, den Energiebedarf von Rechenzentren zu reduzieren. Der Einsatz von erneuerbarer Energie kann im Anschluss an diese Maßnahmen zur signifikanten Reduktion des Energieeinsatzes fossiler Energie beitragen. Das gilt für Rechenzentren unterschiedlicher Größe, für verschiedene Standorte (Betrachtung von Nord- und Südeuropa) und für verschiedene Infrastrukturen (z. B. in der Stadt oder in ländlichen Gebieten). Weiterhin kann aus der Parametervariation die Sinnhaftigkeit des Einsatzes von thermischen und elektrischen Speichern sowie von Maßnahmen zur Wärmenutzung abgelesen werden. Diese fällt im Rechenzentrum selbst oder bei der Kraft-Wärme-Kopplung an. Die Parameterstudie zeigt aber auch, dass ein Einsatz von erneuerbarer Energie über 80 Prozent schwierig ist und weitere Optimierungsmaßnahmen notwendig sind. Aus methodischer Sicht wird der holistische Ansatz bestätigt. Der Katalog [5] beschreibt alle Konzepte detailliert und ermöglicht Spezialisten, die sich nicht mit energetischen Fragen beschäftigen, derartige Systeme einzusetzen, anzupassen oder weiterzuentwickeln.

Das RenewIT-Tool [6] bietet die Möglichkeit einer schnellen Auslegung und Abschätzung energetischer, wirtschaftlicher und ökologischer Parameter. Das ist in der Vorplanung besonders wichtig, um von Anfang an Varianten mit effizienzsteigernden Maßnahmen und die Nutzung erneuerbarer Energie zu forcieren. Die Autoren versuchen über derartige Maßnahmen alternative Lösung zu fördern, um die bestehenden Energie- und Umweltprobleme zu mindern.

Mit den flüsterleisen Außeneinheiten ist der Betrieb von Luft/Wasser-Wärmepumpen auch in dicht bebauten Wohngebieten problemlos möglich. Im Nachtbetrieb beträgt der Schalldruckpegel in 3 m Abstand lediglich 35 dB(A). Damit erfüllen sie die Anforderungen der TA Lärm (Technische Anleitung zum Schutz gegen Lärm). Für den niedrigen Geräuschpegel der Außeneinheiten sorgt Advanced Acoustic Design (AAD). Dabei wird das Frequenzspektrum gezielt so verschoben, dass tiefe Töne in einem Frequenzbereich liegen, der von der umgebenden Bausubstanz effektiv gedämpft wird. Einen wesentlichen Beitrag leisten darüber hinaus die schalloptimierten Ventilatoren mit stufenloser Drehzahlregelung. Die zweifache elastische Schwingungsentkopplung und der akustisch optimierte Aufbau des Kältekreises verhindern wirkungsvoll die Abstrahlung von Körperschall über Gehäuse und Kältemittelleitungen. Damit ist die Übertragung von Vibrationen ins Gebäude praktisch ausgeschlossen. Neben dem drehzahlgeregelten Scroll-Verdichter sorgen asymmetrisch dimensionierte Wärmeübertrager für hohe Effizienz. Merkmal dieser Auslegung der Wärmeübertrager sind größere Kanalquerschnitte auf der Wasserseite als auch auf der Kältemittelseite. Damit wird die Wärmeübertragung gesteigert und der Stromverbrauch der Umwälzpumpe verringert. Die Luft/Wasser-Wärmepumpen Vitocal 200-S, 222-S und 200-A erzielen damit COP-Spitzenwerte bis 5,1 (A7/W 35 °C nach EN 14511). Sie sind fernbedienbar über Vitoconnect (Zubehör) mit ViCare App (Vitocal 200-S, 222-S, 200-A). Die Außeneinheiten sind mit einem Ventilator in Leistungen von 4,0 bis 7,0 kW (Leistungsangaben bei A-7/W 35 °C nach EN 14511) lieferbar. Mit zwei Ventialtoren von 9,4 bis 12,0 kW. Die neuen Außeneinheiten für die Luft/Wasser-Wärmepumpen Vitocal 200-S und 200-A sind seit April 2017 und für Vitocal 222-S ab August 2017 verfügbar.

www.viessmann.de

[1] Autoren:

Nirendra Lal Shrestha, Thorsten Urbaneck, Noah Pflugradt, Verena Rudolf, Bernd Platzer, Oscar Càmara, Angel Carrera, Jaume Salom, Eduard Oró, Albert Garcia, Mieke Timmerman, Hans Trapman

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.

Mitarbeiter

Die Mitarbeiter des Projekts sind in KK 3/2017, Seite 50 erfasst.

Literatur

[2]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. Die Kälte + Klimatechnik, Alfons W. Gentner Verlag, 70. Jg. (2017), Heft 3, S. 50–54, ISSN 0343-2246.

[3]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 2 – Technische Konzepte. Die Kälte + Klimatechnik, Alfons W. Gentner Verlag, 70. Jg. (2017), Heft 4, S. 32–41, ISSN 0343-2246.

[4]Salom, J.; et al.: www.renewit-project.eu. Projektseite, 2013–2016.

[5]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.

[6]Salom, J. et al.: www.renewit-tool.eu. RenewIT-Tool, 2016.

Abkürzungsverzeichnis

PUE Power usage effectiveness

RER Renewable energy ratio

EE Erneuerbare Energien

EES elektrische (chemische) Energiespeicher

IT Informationstechnik

Sch Schema

TES thermische Energiespeicher

USV unterbrechungsfreie Stromversorgung