Wärme fällt in vielen Bereichen an. Das kann Abwärme aus der industriellen Produktion oder aus Rechenzentren sein. Nun besteht die Aufgabe darin, diese Wärme nutzbringend einzusetzen, was eine sehr große Herausforderung darstellt.
Es klingt paradox, aber diese Abwärme kann zur Kühlung und Klimatisierung eingesetzt werden. Experten verwenden dann Adsorptionskältemaschinen, welche für niedrige Abwärmetemperaturen geeignet sind. Für diesen Kälteerzeugungsprozess (Wärmetransformation) kommen bisher Silicagel als Adsorptionsmittel sowie Wasser als Kältemittel zum Einsatz. Das heißt, es handelt sich um umweltfreundliche und gut verfügbare Stoffe.
Um den Einsatz der Adsorptionstechnik weiter voranzutreiben, hat das Projektteam unter Leitung von Dr. Andreas Velte-Schäfer und Dr. Gerrit Füldner vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE verschiedene Anwendungsfälle für Adsorptionskältemaschinen in Rechenzentren untersucht. Auf Basis von zahlreichen Messungen an einer marktverfügbaren Adsorptionskältemaschine der Firma Fahrenheit GmbH wurde ein numerisches Modell kalibriert und validiert. Aufbauend auf diesem Modell und der Auswertung von Literaturdaten zu neuartigen Adsorbentien zeigten die Forscher, dass sich die Kälteleistung um mehr als 50 % steigern lässt, wenn ein Ersatz des Adsorbens Silicagel durch die metallorganische Gerüstverbindung (engl. metal-organic framework) MIL-100(Fe) erfolgt. Der ausführliche Artikel "Utilizing waste heat from data centers with adsorptive heat transformation – Heat exchanger design and choice of adsorbent" von Andreas Velte-Schäfer, Christian Teicht, Maximilian Stahlhut, Thomas May, Ralph Herrmann, Thorsten Urbaneck und Gerrit Füldner ist unter https://doi.org/10.1016/j.enconman.2024.118500 verfügbar.
Diese Modelle werden für die Modellierung von flüssigkeitsgekühlten Rechenzentren im Teilprojekt 11 eingesetzt. Parallel laufen Arbeiten an der Professur Technische Thermodynamik der TU Chemnitz. Maximilian Stahlhut untersucht das elektrische und thermische Lastverhalten von flüssigkeitsgekühlten Servern. Das ist aus mehreren Gründen notwendig. Rechenzentren laufen nie unter Volllast. Das heißt, die Abwärme fällt schwankend an. Weiterhin kann die Kühlung in einem bestimmten Temperaturbereich erfolgen. Hier muss eine optimale Betriebsweise für die Adsorptionskältemaschine und den Server gefunden werden. Diese Untersuchungen unterstützt der Industriepartner Megware.
Das Teilprojekt 11 ist ein schönes Beispiel, dass nur mit einer engen und übergreifenden Zusammenarbeit Erfolge erreicht werden können. Diese Fortschritte sind auch dringend notwendig. In Deutschland werden in den nächsten Jahren die Rechenzentrumskapazitäten sehr stark ausgebaut. Mit der Flüssigkeitskühlung ist einerseits die Kühlung anderer Rechenzentrumsbereiche möglich. Andererseits sind die Abwärmemengen so groß, dass ganze Wohnquartiere bzw. Städte versorgt werden können.
Foto: T. Urbaneck