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Hochverfügbar, aber grün

Rechenzentren haben einen hohen Energiebedarf. Besonders die Nicht-IT Energiekosten sind oft unnötig hoch.  Ein energieeffizientes Klimatisierungskonzept, das geschickt die Erdwärme nutzt, kann die Kosten für die Kühlung um gut 90 Prozent senken. Beispiel für ein geothermisch betriebenes Rechenzentrum ist der neue ColocationIX Hochbunker, erbaut nach EN 50600 Klasse 4, in Bremen. Für seine innovative Kühltechnik bekam das hochsichere Datacenter bereits in der Konzeptionsphase den Deutschen Rechenzentrumspreis.

Durch steigende Strompreise nehmen die Stromkosten einen gewichtigen Teil an den Gesamtkosten des Rechenzentrums ein. Selbst wenn die IT-Technik State-of-the-Art ist besteht die Herausforderung, der Abwärme Herr zu werden. Viele Rechenzentren setzen noch auf klassische Kältemaschinen. Diese verbrauchen so viel Strom, dass der Energieverbrauch der Nicht-IT-Komponenten zu den größten Kostenfaktoren beim Betrieb eines Rechenzentrums zählt. Bei einer maximalen Skalierung von 2 MW ist dieser Energieeinsatz nicht nur teuer, sondern führt bei Zugrundelegung des gängigen Strommixes zu erheblichen CO2-Emissionen.

Kostenfaktor Kühlung

Einsparungen lassen sich nur durch ein innovatives Energiekonzept bewerkstelligen. Eine Lösung: Die geothermale Kühlung. Durch die Nutzung von Grundwasserzirkulation lässt sich die Abwärme effizient kühlen. Dabei ist die Ausfallsicherheit verbessert, da die Anlagen redundant sind und technisch zuverlässig. Die Verfügbarkeit der „Erdkälte“ ist jederzeit zu 100 Prozent gegeben – unabhängig von Wind und Wetter. Selbst länger anhaltende Hitzeperioden verändern die Temperaturen in 100 bis 200 m Tiefe nicht.

Das Verfahren bietet sich dort an, wo ausreichend Kühlleistung erzielt werden kann – von Region zu Region gibt es bei der Geothermie Unterschiede. Die Leistungsfähigkeit wurde im Fall des ColocationIX Hochbunkers von der Universität Bremen und von einem Team aus Ingenieuren untersucht und simuliert. In Bremen waren die Werte positiv und die Arbeiten für die Geothermie-Anlage begannen 2013. Anfang 2017 wird das Rechenzentrum seinen Betrieb aufnehmen.

Effizient trotz permanenter Sauerstoffreduktion und großzügig dimensionierten USVs

Im Bremer Hochbunker schaffen in den externen und internen Kühl-Systemkomponenten mehrere unabhängige Kreisläufe die gewünschte Redundanz. Dabei macht insbesondere die Kombination überirdischer Systeme mit unterirdischen Geothermie-Systemen ColocationIX noch sicherer.

Das neue Rechenzentrum bietet eine hohe Energieeffizienz. Der Power Usage Effectiveness-Wert (PUE) – er gibt das Verhältnis aus Gesamtenergieverbrauch und Energieverbrauch der IT betrachtet über ein Jahr an – liegt bei durchschnittlichen Rechenzentren circa bei einem Wert von 2. Bei einem Verfügbarkeitsanspruch beruhend auf der europäischen Rechenzentrums-Norm EN 50600 Klasse 4, plant ColocationIX einen PUE-Wert von 1,05, basierend auf der Leistung von 1 MW. Dazu gehören zusätzlich permanente Sauerstoffreduktion sowie eine lange Batterielaufzeit der USV-Anlagen. Beides führt zu einem erhöhten Energiebedarf, der allerdings durch das innovative Kühlsystem stark relativiert wird. Bei einer Größenordnung von 1 MW spart ColocationIX damit rund 95 Prozent der Energie für den Anteil der Kühlung.

In den Tiefen der Erde

Um das Prinzip der Grundwasserzirkulation zu nutzen, hat man im Bremer Hochbunker spezielle Sonden 100 und 200 Meter tief in die Erde gebohrt. In der Hitzeperiode, in der Kältemaschinen ihren höchsten Stromverbrauch hätten, liefern die Sonden kostengünstige Kühlung. Diese Kühlung erfolgt unter minimalem Stromverbrauch, ganz ohne Einsatz von Kältemaschinen.

Außerhalb der Hitzeperiode wird die Umgebungsluft als Kältequelle eingesetzt. Mehrere Rückkühler auf dem Dach führen dabei die Kälte in den Erdboden zurück, um die Geothermie zu regenerieren. So wird der Untergrund als Kältespeicher über die Sonden immer wieder mit Kälte aufgeladen und kann damit in der Kühlphase maximal ausgeschöpft werden. In den Übergangszeiten wird der Rückkühler adiabatisch, also mit Wasserbenebelung, betrieben. So lieferte er Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur.

Im konkreten Fall passiert das wie folgt: Steigen die Außentemperaturen auf über 20 Grad Celsius, so werden die Rückkühler mit Wasser benebelt. Sie kühlen dadurch um mehrere Grad ab, sodass das Kühlwasser auf unter 20 Grad gekühlt wird. Pro Liter vernebeltem und verdunstendem Wasser werden circa 0,7KW/h zusätzlicher Energie zur Kühlung frei. Dies liegt an der Änderung des Aggregatzustandes des Wassers. Das Wasser nimmt beim Verdampfen viel Energie auf. Bei einem Kubikmeter Wasser summiert sich die Leistung auf bereits 700 KW für eine Stunde. Ab 28 Grad Celsius schaltet dann auch die geothermische Kühlung zu. Sie kann das Datacenter auch bei Tageshöchsttemperaturen über 28 Grad kühlen.

Abwärme auch zum Heizen

Im Inneren des Hochbunkers kommen InRow-Cooling Systeme zum Einsatz. Zudem werden einige Flächen durch Betonkernaktivierung gekühlt. Bei einem ehemaligen Atombunker mit 2 Meter dicken Beton-Außenwänden bietet sich das an. Deswegen wird im Gebäude selbst die Energie mittels Betonkernaktivierung eingespeichert und großflächig ausgetauscht. ColocationIX kommt hingegen mit deutlich unter 5 Prozent des Stromverbrauchs für Kühlung aus und nutzt die Abwärme auch zum Heizen. Ein Konzept, das zeigt, dass Energieeffizienz und Umweltschutz nicht zu Lasten der Hochverfügbarkeit und Leistung gehen muss.


Andreas Dickehut Autor: Andres Dickehut, CEO Consultix GmbH

 

ColocationIX-Rechenzentrum Bremen: 

  • ehemaliger ABC-Hochbunker, Baukörper aus dem 2. Weltkrieg
  • 2.000 qm Fläche
  • 5 Stockwerke
  • 2 Meter dicke Beton Außenwände und Dach
  • 5 Rechenzentren mit je 240 qm sowie ausgelagerter Standort zur Datensicherung
  • Energieeffizienz mit einem PuE unter 1,1 (2017), 1,05 (2018)
  • ISO 50000 Standard
  • Innovative Kühlung durch spezielle Erdsonden (Geothermie-Anlage)
  • Kombination mit adiabater Kühlung und Kaltgang-/ Warmgang-Prinzip
  • Leistung 1MW Spitzenzeiten
  • Kühlungskonzept spart
  • In-Row Kühlung der Racks
  • Redundante und Energieeffiziente USV-Anlagen

 

Quellen: 


Energieeffizienz in Rechenzentren – Leitfaden https://www.bitkom.org/Publikationen/2015/Leitfaden/LF-Energieeffizienz-in-Rechenzentren/150911-LF-Energieeffizienz-in-RZ.pdf  

Wie messe ich den PUE richtig? - Leitfaden https://www.bitkom.org/Publikationen/2012/Leitfaden/Wie-messe-ich-PUK-richtig/121112-PUE-Messung.pdf

 

Foto: © Consultix/Marten Rauschenberger