Titelbild Teilprojekt 11

Motivation

Der Betrieb der informationstechnischen Infrastruktur ist mit einem signifikanten Energieverbrauch verbunden. In Europa sind das ca. zwei Prozent der gesamten Stromproduktion, wobei der Bedarf signifikant steigt. Hierfür sind verschiedene Entwicklungen verantwortlich (z. B. Steigerung der Leistungsfähigkeit und zunehmende Nutzung von Berechnungsprogrammen, höheres Angebot von Dienstleistungen, Übertragung von multimedialen Inhalten usw.). Die elektrische Leistung wird für folgende Bereiche benötigt:

  • Informationstechnik (Server, Netzwerkskomponenten, Speicher usw.),
  • Kühlung (Betrieb von Kältemaschinen, Pumpen, Ventilatoren, Regelung und Steuerung usw.),
  • Stromversorgung (Wechselrichter, Notstrom- und Absicherungskomponenten, Regelung und Steuerung usw.),
  • weitere Gebäudetechnik (Beleuchtung usw.).

Der verbrauchte Strom wird letztendlich in thermische Energie (umgangssprachlich Wärme) umgewandelt. Um eine unzulässige Temperaturerhöhung zu vermeiden, müssen alle Komponenten mehr oder minder gekühlt werden (Wärmeabfuhr).

Die Stromerzeugung basiert zurzeit - global gesehen - auf einem relativ hohen Anteil von fossilen und nuklearen Energieträgern. Deren Nutzung ist mit vielen signifikanten Problemen behaftet. Deswegen sind Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz und die Nutzung erneuerbarer Energiequellen notwendig. Diese Maßnahmen mit energiewirtschaftlichen und ökologischen Ansätzen werden im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnik (IKT) zunehmend angewandt. Diese lassen sich wie folgt systematisieren:

  • Effizienzsteigerung,
    • Verbesserung der elektronischen Bauelemente (Reduktion des spezifischen Strombedarfs),
    • Nutzung von Virtualisierungstechniken,
    • Einsatz von sogenannten Rechenbeschleuniger,
    • Reduktion von Prozessortakt und -spannung,
    • Einsatz effizienter energietechnischer Komponenten (z. B. Kältemaschinen, Motoren) und Systeme,
  • Einsatz erneuerbarer Energien,
    • erneuerbare Stromversorgung (z. B. Wind, Photovoltaik),
    • Nutzung erneuerbarer Kälte (z. B. Außenluft, Grund- und Oberflächenwasser),
  • Wärmerückgewinnung,
    • Raumheizung (z. B. Server zur Raumluftheizung).

Ansatz und Ziele

Das Teilprojekt verfolgt eine neue Betriebsweise von flüssigkeitsgekühlten Servern und eine Entwicklung der Kühl- und Heiztechnik. Über diese Lösung sollen folgende spezielle Ziele erreicht werden:

  • bestmögliche Nutzung von Abwärme aus IKT-Prozessen,
    • Reduktion der Betriebskosten für Heizen und Kühlen im Gebäude vor Ort,
    • Vermeidung ungünstiger Raumluftzustände im Betriebsraum der Rechentechnik (z. B. Überhitzung, unnötige bzw. ineffiziente Raumkühlung),
  • dadurch Senkung der Betriebskosten,
  • gleichzeitige Senkung des Primärenergieverbrauchs des Gebäudes,
  • Vergrößerung des Anteils regenerativer Energiequellen zur Deckung der Leistungsaufnahme,
  • bessere Anpassung der aktiven Server an das Lastprofil des Serversystems mittels automatischer Betriebsplanung,
  • Steuerung nach Vorgaben des IKT-Betreibers,
  • Entwurf eines flexiblen und nachrüstbaren Systems,
  • Entwicklung von Quartierskonzepten,
  • Wettbewerbsstärkung der Firmen, die folgende Produkte entwickeln bzw. Dienstleistungen anbieten.

Stand und Ergebnisse

Im TP11 sind theoretische und experimentelle Arbeiten vorgesehen. Im Rahmen der theoretischen Arbeiten wurde die Vorgehensweise präzisiert und folgende Arbeiten durchgeführt (TUCtt):

  • theoretische Untersuchungen zu den elektrischen und thermischen Lasten in großen Rechenzentren,
  • Anpassung und Verbesserung von TRNSYS-Modellen zur Modellierung von Rechenzentrumskomponenten,
  • Modellierung eines Nahwärmesystems (Versorgung von Wohnquartieren) mit Abwärmenutzung eines Rechenzentrums unter Verwendung von flüssigkeitsgekühlten Servern und Wärmepumpen,
  • Simulation mit Parametervariation zur Untersuchung der Rechenzentrumsgröße im Verhältnis der Nahwärmelast,
  • Bewertung mit Kennzahlen (z. B. Deckungsanteil und Wärmegestehungskosten) und Ableitung.

Weiterhin ist der Einsatz von Adsorptionskältemaschinen von Interesse. Es wurden neueste Trends und Möglichkeiten im Bereich der Adsorbenzien ausgewertet und Entwicklungsmöglichkeiten erarbeitet (ISE). Die adsorptive Wärmetransformation erscheint hier erfolgsversprechend zu sein.
Die Arbeiten im TP11 umfassen auch den Aufbau eines Versuchsstandes mit flüssigkeitsgekühlten Servern (TUCtt). Der Versuchstand befindet sich in der Aufbauphase (siehe Abbildung 1). Mit dem Versuchsstand soll das energetisch-thermische Verhalten von flüssigkeitsgekühlten Servern bestimmt werden. Das Wissen ist wiederum für die Modellierung, Simulation und optimale Auslegung von Rechenzentren und Wärmeversorgungssystemen wichtig.
Parallel erfolgt das Monitoring eines luftgekühlten Rechenzentrums (ISE). Da jedes Rechenzentrum anderes aufgebaut ist und demzufolge auch anders funktioniert, nehmen vergleichende Untersuchungen eine wichtige Rolle ein.

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Abbildung 1: Versuchsstand mit flüssigkeitsgekühlten Servern im Aufbau (Foto: T. Urbaneck)

Veröffentlichungen

Stahlhut, M.; Pflugradt, N.; Urbaneck, T.
Wärmerückgewinnung von Rechenzentren: Die Entstehung elektrischer und thermischer Lasten
EuroHeat&Power, VDE Verlag 51. Jg. (2022), Heft 10, S. 36-41. – ISSN 0949-166X

Stahlhut, M.; Pflugradt, N.; Urbaneck, T.
Wärmerückgewinnung von Rechenzentren: Die Modellierung der Lasten
EuroHeat&Power, VDE Verlag 51. Jg. (2022), Heft 11-12, S. 28-33. – ISSN 0949-166X

Stahlhut, M.; Nefodov, D.; Urbaneck, T.
Utilizing Waste Heat from Data Centers to Supply Residential Quarters: A Simulation Study
The 18th International Symposium on District Heating and Cooling, Peking, 03.09. bis 06.09. 2023. https://www.iea-dhc.org/fileadmin/public_documents/DHC2023_Conference_proceedings_CDHA.pdf

Velte-Schäfer, A.; Laurenz, E.; Füldner, G.
Basic adsorption heat exchanger theory for performance prediction of adsorption heat pumps
iScience, Cell Press 26. Jg. (2023) Heft 12 S. 1-11. https://doi.org/10.1016/j.isci.2023.108432

Stahlhut, M.; Nefodov, D.; Urbaneck, T.
Wärmeversorgung eines Quartiers mit Rechenzentrumsabwärme – eine Simulationsuntersuchung
EuroHeat&Power, VDE Verlag 53. Jg. (2024), Heft 1-2, S. 40-47. - ISSN 0949-166X

Stahlhut, M.; Nefodov, D.; Urbaneck, T.
Einbindung von Rechenzentrumsabwärme in ein Nahwärmenetz zur Versorgung eines Wohnquartiers
Deutscher Kälte- und Klimatechnischer Verein e. V. DKV (Hrsg.): Deutsche Kälte‐ und Klimatagung 2023 Hannover. Hannover, 2023 Tagungsband (Datenträger). – ISBN 978-3-932715-56-3. https://dkv.org/index.php?id=161

Velte-Schäfer, A.; Stahlhut, M.; Füldner, G.; Urbaneck, T.
Adsorptive Wärmetransformation in Rechenzentren - Analyse der Möglichkeiten und Grenzen
Deutscher Kälte- und Klimatechnischer Verein e. V. DKV (Hrsg.): Deutsche Kälte‐ und Klimatagung 2023 Hannover. Hannover, 2023 Tagungsband (Datenträger). – ISBN 978-3-932715-56-3. https://dkv.org/index.php?id=161

Velte-Schäfer, A.; Teicht, C.; Stahlhut, M.; May, T.; Herrmann, R.; Urbaneck, T.; Füldner, G.
Utilizing Waste Heat from Data Centers with Adsorptive Heat Transformation – Heat Exchanger Design and Choice of Adsorbent
Energy Conversion and Management 310. Jg. (2024). Nr. 118500. – ISSN 0196-8904. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2024.118500

Stahlhut, M.; Nefodov, D.; Urbaneck, T.
Supply Residential Quarters with Data Center Waste Heat: A Simulation Study
EuroHeat&Power, English Edition, VDE Verlag (2024) Heft 2 S. 30-37. - ISSN 1613-0200-22698

Kontakt

Bild - Thorsten Urbaneck

Prof. Dr.-Ing. habil. Thorsten Urbaneck

Projektkoordinator und Teilprojektleiter 11

Technische Universität Chemnitz
Fakultät für Maschinenbau
Professur Technische Thermodynamik
09107 Chemnitz

Bild - Björn Nienborg

Björn Nienborg

 

Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
Heidenhofstr. 2
79110 Freiburg

 
KETEC - Forschungsplattform Kälte- und Energietechnik