Studie blickt auf Einsparpotenziale

Im EU-Forschungsprojekt RenewIT [1] wurden 18 verschiedene Lösungen für den Einsatz Erneuerbarer Energien in Rechenzentren entwickelt. Dieser Beitrag stellt drei dieser Konzepte vor und vergleicht sie mit einer Referenzlösung nach dem Stand der Technik anhand verschiedener Kenn- und Bewertungsgrößen wie z. B. PUE, CAPEX, OPEX, RER u. a. [2]. Es wird gezeigt, dass Systemlösungen wie z. B. die Integration von BHKWs, Abwärmenutzung und Absorptionskälte zusammen mit Speichern deutliche Vorteile im Vergleich zu konventioneller Kompressionskälte bieten. Weitere Ergebnisse befassen sich mit der Integration von Batteriespeichern, PV, Windenergie oder auch Nasskühlern in jeweils optimierten Systemlösungen. Die vorgestellten Systeme sollen TGA-Fachplanern als Anregung dienen, bei Umbauten oder Neubauten den Einsatz Erneuerbarer Energien in Betracht zu ziehen.

Rechenzentren verbrauchen ca. 1,5 % des weltweiten Energiebedarfs [3]. Weil sehr viele Dienste von den Rechenzentren abhängen, hat ein Ausfall hohe Kosten zur Folge. Folglich ist das Hauptkriterium beim Bau die Systemstabilität. Daher sind die Eigentümer im Allgemeinen bei der Einführung neuer Technologien höchst konservativ.
Vereinzelt werden insbesondere von großen Konzernen trotzdem neue Konzepte getestet. Kleineren Betreibern fällt es aber schwer, umfassende Studien über die Potenziale verschiedener Erneuerbarer Energien durchzuführen. Dazu kommt, dass die Planungsphase bei Rechenzentren häufig sehr kurz ausfällt, sodass keine Zeit für umfassende Untersuchungen verbleibt.
Hier setzt das RenewIT-Projekt an. Im Rahmen dessen wurden 18 verschiedene holistische Lösungen (Stromversorgung, Kühlung der Rechentechnik und weiterer Komponenten, vorgelagerte Energieversorgung) für die Integration von Erneuerbaren Energien in Rechenzentren entwickelt und detailliert untersucht. Die aussichtsreichsten Konzepte wurden ausgewählt und simuliert. Um die Ergebnisse öffentlich zugänglich zu machen, wurde ein Berechnungswerkzeug im Web entwickelt, das „RenewIT-Tool“. Dort kann man die wichtigsten Parameter für ein Rechenzentrum eingeben und untersuchen, wie sich verschiedene Maßnahmen und Konzepte auf den Gesamt­energieverbrauch auswirken würden. Somit reduziert sich der Zeitaufwand für die Rechenzentrumsbetreiber für Vorstudien von Monaten auf wenige Stunden. Im Folgenden wird zunächst auf generelle Optimierungsmaßnahmen und dann auf drei konkrete Konzepte eingegangen.

Konzepte für Erneuerbare Energien
Ein hoher Anteil von Erneuerbaren Ener­gien ist nur in einem holistischen Ansatz wirtschaftlich realisierbar. Daher wurde im RenewIT-Projekt eine Reihe von Maßnahmen identifiziert, welche den Energieverbrauch deutlich senken. Die Maßnahmen sind eine optimale Gebäudegestaltung, IT Management, verlust­arme Stromverteilung, Optimierung der Kälteerzeugung und Einsatz von Wärmerückgewinnung. Aus Gründen des Umfangs kann hier auf die einzelnen Maßnahmen nicht weiter eingegangen werden, aber sie sind detailliert in [4] beschrieben. Die Resultate der einzelnen Maßnahmen zeigt Bild 1. Es ist sichtbar, dass durch die Optimierungsmaßnahmen die Gesamtkosten des Rechenzentrums, bezogen auf eine Lebensdauer von 15 Jahren, bereits um ca. 10 % gesenkt werden können. Das geht einher mit einer Senkung des Energieverbrauchs um 15 % und des PUE 1) um 8 %.
Nachfolgend werden drei der 18 Konzepte für den Einsatz Erneuerbarer Energien vorgestellt. Die detaillierte Beschreibung ist in [4] enthalten. Die ausgewählten Konzepte sind ein Biogas-Blockheizkraftwerk, die Integration von Photovoltaik und Windenergie, kombiniert mit einem Batteriespeicher und die Verwendung eines Nasskühlers mit dem völligen Verzicht auf Kältemaschinen. Für die Darstellung der Vorteile der Konzepte werden zwei Referenzsysteme verwendet. Das erste Referenzsystem ist ein konventionelles, nicht optimiertes Rechenzentrum, das zweite Rechenzentrum ein konventionell gekühltes, aber enthält alle erwähnten Optimierungsmaßnahmen. Die wichtigsten Parameter sind in Tabelle 1 dargestellt. Die nachfolgenden Konzepte verwenden die Parameter des optimierten Rechenzentrums.

Photovoltaik / Windenergie / Batterien
Photovoltaik und Windenergie sind die prominentesten Vertreter der Erneuerbaren Energien und sollen daher als erstes besprochen werden. Da in den letzten Jahren die Photovoltaik-Preise so stark gesunken sind, dass eine Einspeisevergütung kaum noch notwendig ist und diese europaweit überhaupt nur teilweise existiert, wurde diese nicht in der Berechnung berücksichtigt. Stattdessen gilt in den Berechnungen die Annahme, dass unbegrenzte Energiemengen im Netz absetzbar sind. Die Dimensionierung legt für das 1 MW Rechenzentrum 3 MWpeak Photovoltaik und 1 MW Windenergie zugrunde. Zusätzlich wurde noch eine vergrößerte USV-Batterie eingesetzt, um Lastspitzen zu kompensieren. Da Rechenzentren ohnehin immer über eine unterbrechungsfreie Stromversorgung verfügen, bietet es sich an, die bereits existierenden Wechselrichter zu verwenden und nur die Kapazität der USV mit zusätzlichen Batterien aufzustocken. Somit kann der selbst erzeugte Strom gepuffert und Lastspitzen abgefangen werden, was die Anschlusskosten senkt. Die Ergebnisse der Simulation sind in Bild 2 dargestellt. In allen Sankey-Diagrammen ist die Einheit der Angaben die durchschnittliche Jahresleistung.

Nasskühlturm
Die Minimallösung zum Energiesparen ist der Verzicht auf Kühlanlagen und stattdessen der Einsatz eines Nasskühlers. Der Trend geht hin zu höheren Temperaturen in Rechenzentren und ASHRAE lässt in [5] Temperaturen bis 35 °C für die Geräteklasse A1 zu. Dieses Limit ist in West- und Nordeuropa mit einem ausreichend dimensionierten Nasskühler problemlos umsetzbar. Wie in Bild 2 gezeigt, sinkt damit der Energieverbrauch des Systems im Vergleich zum Referenzsystem um 88 kW, d. h. 770 MWh pro Jahr.

Biogas-Blockheizkraftwerk und Absorptionskältemaschine
Die dritte und für Deutschland interessanteste Lösung ist eine Kombination von einem Blockheizkraftwerk und einer Absorptionskältemaschine. Es wird die Abwärme aus dem BHKW verwendet, um die Absorptionskältemaschine zu betreiben. Es ergibt sich aber insbesondere in Deutschland bei der Zuluft-Temperatur von 24 °C eine starke Konkurrenzsituation mit der indirekten freien Kühlung. Hier besteht noch Optimierungspotenzial. Falls eine Absatzmöglichkeit für die Abwärme vorhanden ist, ergeben sich die Ener­gieverbräuche wie in Bild 3 dargestellt.

Zusammenfassung der Ergebnisse
Bei Erneuerbaren Energien gibt es keine Universallösung. Stattdessen hängt die bes­te Lösung von den Randbedingungen ab. Bild 4 zeigt die Kosten der verschiedenen Konzepte in unterschiedlichen Varianten. Bei der ersten BHKW-Variante kann die Abwärme zu 1 ct/kWh verkauft werden, während in der zweiten Variante ein Verkaufspreis von 4 ct/kWh erzielbar ist. Die 3 ct/kWh Differenz senkt die Kosten des Rechenzentrums um 12 %. Für das Nasskühler-Konzept wurde die Server-Zuluft-Temperatur von 20 °C auf 24 °C variiert, um den Einfluss der Serverraumtemperatur zu zeigen. Da ein Großteil der Kühlung aber über die indirekte freie Kühlung erfolgt, ergibt sich kein nennenswerter Unterschied in den Kosten. Für die PV/Wind/Batterielösung wurden drei Varianten berechnet. Die erste mit Batterien für die Ener­giespeicherung, die zweite ohne Batterien und die dritte Variante war die Verlegung des kompletten Rechenzentrums nach Barcelona unter Beibehaltung aller anderen Parameter. Die Berechnung zeigt, dass Batterien sehr teuer sind, also die Kosten der Lastspitzen nicht ausgleichen können, und dass ein mit PV/Wind ausgestattetes, optimiertes Rechenzentrum über 15 Jahre billiger ist als ein konventionelles Rechenzentrum. Das Rechenzentrum in Barcelona liegt im Vergleich zu den anderen Lösungen deutlich günstiger, da bei identischer Fläche ein signifikanter Überschuss erzeugt werden kann, welcher dann sogar einen Teil der Wartungskosten deckt. Man kann weiterhin ablesen, dass selbst ohne Einspeisevergütung über 15 Jahre PV und Wind schon nahezu konkurrenzfähig sind und somit diese Lösungen immer interessanter werden.
Die Abhängigkeit der richtigen Lösung von der konkreten Situation zeigt, dass nur ein flexibles Berechnungswerkzeug wie das erwähnte „RenewIT Tool“ in der Lage ist, die Komplexität korrekt abzubilden und zutreffende Empfehlungen für die Entwicklung zu geben.

Literatur, Quellen:
[1]    Home - RenewIT. [Zugriff am 12. Februar 2014]. Verfügbar unter: www.renewit-project.eu
[2]    JAUME SALOM, A. G., EDUARD ORÓ, DAVIDE NARDI CESARINI. D3.1 Metrics for Net Zero Ener­gy Data Centres. 2014.
[3]    MARKOFF, J. Data Centers’ Power Use Less Than Was Expected. New York Times [Zugriff am 31. Januar 2014]. Verfügbar unter: www.nytimes.com/2011/08/01/technology/data-centers-using-less-power-than-forecast-report-says.html
[4]    Deliverable D4.3 Catalogue of advanced technical concepts for Net Zero Energy Data Centres. Draft version. RenewIT Project [Zugriff am 28.11.2014]. Verfügbar unter: www.renewit-project.eu/d4-3-catalogue-advanced-technical-concepts-net-zero-energy-data-centres-draft-version/
[5]    ASHRAE. Thermal Guidelines for Data Processing Environments, 3rd Edition. ASHRAE, Atlanta, USA, 2012. ISBN 978-1-936504-33-6.

Autoren: Noah Pflugradt, Nirendra Lal Shrestha, Thomas Oppelt, Thorsten Urbaneck, Bernd Platzer; Technische Universität Chemnitz, Professur Technische Thermodynamik
Danksagung: The research leading to these results has received funding from the European Union’s Seventh Framework Programme FP7/2007-2013 under Grant Agreement nº 608679 – RenewIT.

Bilder: Technische Universität Chemnitz, Professur Technische Thermodynamik