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.

Ergebnisse

Die Ergebnisse werden mit Fortschritt des Teilprojektes veröffentlicht.

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

Quellen

  1. Urbaneck, T.: Kältespeicher – Grundlagen, Technik, Anwendung. München: Oldenbourg 2012, 479 S. – ISBN 978-3-486-70776-2
  2. Urbaneck, T.; Uhlig, U.; Göschel, T.: Große Kaltwasserspeicher – Stand der Technik in Deutschland. ki – Kälte-, Luft- und Klimatechnik Hüthig 55. Jg. (2019) Heft 12 S. 48-53. – ISSN 1865-5432
  3. Vorbeck, L.; Gschwander, G.; Thiel, P.; Lüdemann, B.; Schossig, P.: Pilot application of phase change slurry in a 5 m³ storage. Applied Energy Volume 109, September 2013, Pages 538-543. studies and applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews January 2012.
  4. Niedermaier, S.; Biedenbach, M.; Gschwander, S.: Characterisation and Enhancement of Phase Change Slurries. Energy Procedia Volume 99, November 2016, Pages 64-71.
  5. Kauffeld, M.; Gund, S.: Ice slurry –History, current technologies and future developments. International Journal of Refrigeration 99 (2019) 264–271
  6. Schaaf, J.; Kauffeld, M.: Induction melting boundary layer of ice. In: Pro

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 - Peter Engelmann

Dr. Peter Engelmann

 

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

 
KETEC - Forschungsplattform Kälte- und Energietechnik