Wiederverwendung von Wärmeenergie im Rechenzentrum: Warmwasserkühlung

In dieser Serie untersuchen wir die verschiedenen Möglichkeiten, wie Betreiber von Rechenzentren versuchen, verantwortungsvolle Weltbürger zu sein und gleichzeitig eine langfristige Rendite zu erzielen, indem sie ihren CO2-Fußabdruck durch die Erfassung und Wiederverwendung der von ihren IKT-Anlagen erzeugten Wärmeenergie verringern. Ich habe als Gesprächsgrundlage einen Artikel vom Oktober 2011 genommen MIT Technology Review Artikel von Neil Savage, "Treibhauseffekt: Five Ideas for Re-using Data Centers' Waste Heat". Die fünf Beispiele, die er in diesem Artikel anführt, stehen eigentlich für fünf allgemeine Strategien, und daher halte ich sie für einen nützlichen Ausgangspunkt, um die Entwicklungen in den folgenden neun Jahren zu untersuchen. Die Ideen waren:

Das Datenzentrum der Universität Notre Dame beheizte ein Gewächshaus.

Ein Rechenzentrum der Syracuse University erzeugte seinen eigenen Strom und nutzte überschüssiges kaltes Wasser für die Klimatisierung eines angrenzenden Bürogebäudes im Sommer und überschüssiges heißes Wasser für die Heizung im Winter

Ein IBM-Forschungsrechenzentrum in Zürich verwendete Warmwasser-Flüssigkeitskühlung und nutzte das wärmere "Rücklaufwasser" zum Heizen eines angrenzenden Labors.

Das Oak Ridge National Laboratory entwickelte einen Mechanismus, der an einem Mikroprozessor befestigt ist und Strom erzeugt.

Ein Telecity-Rechenzentrum in Paris lieferte Wärme für Forschungsexperimente zu den Auswirkungen des Klimawandels. 

Im ersten Teil haben wir uns Variationen der Nutzung von Abluft aus dem Rechenzentrum der Universität Notre Dame angesehen, um ein angrenzendes Gewächshaus durch die nördlichen Winter in Indiana zu bringen. Wir haben zwar verschiedene Beispiele für die Wiederverwendung von Warmluft behandelt, aber im Allgemeinen stellten die niedrige Energiequalität der 80-95˚F warmen Luft und die Anforderung, dass die Anwendung im Wesentlichen in der Nähe des Rechenzentrums liegen muss, angemessene Hindernisse für eine attraktive Rendite dar. Bei der Prüfung der Verwendung von 80˚F-Abluft aus einem USV-Raum zur Verringerung des Auftriebs auf das 100˚F-Ziel der Generatorblockheizungen stellten wir fest, dass ein effektives Luftstrommanagement, das es einem Rechenzentrum ermöglicht, näher an der von der ASHRAE empfohlenen Obergrenze zu arbeiten, zu einer Abluft führen würde, die den Bedarf an Generatorblockheizungen völlig überflüssig machen könnte. In diesem Beispiel wurden sowohl die Hindernisse der Energiequalität als auch der Nachbarschaft berücksichtigt. Ansonsten haben wir festgestellt, dass die effektivste Nutzung der Wärmeenergie aus der Abluft von Rechenzentren in nordeuropäischen Nahwärmenetzen stattfindet, und wir haben entdeckt, dass über 10% der schwedischen Heizenergie von Rechenzentren stammen. In der Tat stellen Nahwärmenetze in der einen oder anderen Form ein nützliches Modell für die effektive Wiederverwendung von Energie aus Rechenzentren dar, wie wir in den folgenden Diskussionen sehen werden.

Ich habe den Begriff "Anzapfen des Kreislaufs" für die zweite Kategorie der Energiewiederverwendung in Rechenzentren geprägt, bei der die Vorlaufseite des Kaltwasserkreislaufs für zusätzliche Kühlung und die Rücklaufseite entweder für Heizung oder Kühlung angezapft werden kann. Im Beispiel der Universität Syracuse aus Savages Artikel war die primäre Energiequelle für die Wiederverwendung das Turbinenabgas, das heiß genug war, um Absorptionskältemaschinen für die Klimatisierung des Gebäudes anzutreiben, die zur Kühlung des Rechenzentrums genutzt wurden, oder heiß genug, um durch einen Wärmetauscher zu laufen und das Gebäude im Winter zu heizen. Ein aktuelleres Beispiel für das "Anzapfen des Kreislaufs" ist das Westin-Amazon-Projekt in Seattle, bei dem die Technik etwas einfacher, das Projektmanagement jedoch sehr viel kreativer war und eine Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Behörden, öffentlichen Versorgungsbetrieben und Unternehmen mit gegenseitigem Eigennutz erforderlich war. Im Wesentlichen stellen die Amazon-Bürogebäude das Äquivalent eines Nahwärmenetz-"Kunden" für Clise Properties (den Eigentümer des Westin Carrier Hotels) dar, und Clise Properties und McKinstry Engineering bildeten ein Unternehmen, das als zugelassenes Versorgungsunternehmen registriert wurde. Amazon wird etwa 80 Millionen Kilowattstunden an Heizenergiekosten einsparen und Clise Properties wird die Kosten für den Betrieb von Verdunstungstürmen und die Kosten für den daraus resultierenden Wasserverlust vermeiden. Während das Westin-Amazon-Modell für mich die perfekte Blaupause für ein effektives Energiewiederverwendungsprojekt für Rechenzentren darstellt, hat eine Überprüfung eines ähnlichen Projekts, das am Massachusetts Institute of Technology abgesagt wurde, die Komplexität des Versuchs, alle Katzen für ein solches Unterfangen zu hüten, aufgezeigt, die wir in diesem dritten Teil der Serie erneut betrachten werden.

Die dritte Kategorie der Wiederverwendung der Wärmeenergie von Rechenzentren MIT Technology Review ist die Heißwasserkühlung, die für jede der beiden ersten Kategorien von Nutzen sein kann, aber besonders bei der Flüssigkeitskühlung von Rechenzentren (die in unserer Branche endlich an Bedeutung gewinnt) von Vorteil ist. Wenn, wie bereits erwähnt, die Abluft des Rechenzentrums zur Erleichterung des Startens der Generatoren verwendet wird, kann durch die Anhebung der Zulufttemperatur von 65 oder 70 Grad Celsius auf 78 bis 80 Grad Celsius eine Rücklufttemperatur erreicht werden, die hoch genug ist, um Blockheizungen zu vermeiden. Darüber hinaus könnte im Westin-Amazon-Projekt eine gute Ausführung der Luftstrombegrenzung im Rechenzentrum es ermöglichen, die Wasserversorgung des Rechenzentrums zum Versorgungswärmetauscher so weit zu erhöhen, dass der Auftrieb der Wärmerückgewinnungsanlage um 28% reduziert wird. In keinem dieser Fälle geht es um die Kühlung mit warmem oder heißem Wasser, aber selbst diese kleinen Schritte können erhebliche Vorteile mit sich bringen. Wenn wir mit heißem Wasser arbeiten, erhalten wir höherwertige Abwärmeenergie, und Wasser lässt sich leichter bewegen als Luft.

Das IBM Proof-of-Concept-Rechenzentrum im Züricher Forschungslabor nutzte die Vorteile der innovativen Direktkontakt-Flüssigkeitskühlung, bei der heißes Wasser durch kupferne Mikrokanäle gepumpt wird, die an den Computerchips angebracht sind. Es wurde festgestellt, dass die Chiptemperaturen bei 140˚F gehalten werden konnten und damit sicher unter der empfohlenen Höchsttemperatur von 185˚F lagen. Diese Heißwasserkühlung führte zu einer Rücklauftemperatur von 149˚F nach dem Prozess, was eine angemessene Wärmeenergie sowohl für die Gebäudeheizung als auch für die Kühlung durch eine Absorptionskältemaschine darstellte, ohne dass ein zusätzlicher Einsatz von Wärmepumpen erforderlich war. Die Absorptionskältemaschine lieferte nicht nur Wärme für ein angrenzendes Labor, sondern auch 49 kW Kühlleistung bei etwa 70 °C. Ein vereinfachter Überblick über diesen Ansatz ist in Abbildung 1 unten dargestellt.

Abbildung 1: Vereinfachter Ablauf der Energiewiederverwendung bei der Flüssigkeitskühlung von Rechenzentren

Etwa zur gleichen Zeit, als das IBM-Experiment zur Warmwasser-Flüssigkeitskühlung in der Schweiz durchgeführt wurde, experimentierte eBay in Phoenix im Rahmen des viel beachteten Mercury-Projekts mit Warmwasserkühlung. Im Rahmen des Mercury-Projekts wurde ein Teil des Rechenzentrums mit einem Kaltwasserkreislauf gekühlt, der an Kältemaschinen angeschlossen war, und ein zweiter Teil des Rechenzentrums wurde mit Kondensatorrücklaufwasser aus dem ersten Rechenzentrum auf bis zu 87˚F gekühlt, um an der Rückseite der Racks montierte Wärmetauscher zu versorgen. Natürlich überstiegen die Temperaturen die von ASHRAE empfohlenen Serverzulufttemperaturen, blieben aber innerhalb des zulässigen Bereichs der Klasse A2. Im Rahmen dieses Vorgangs entwickelten Dean Nelson und sein Team eine Kennzahl für die Effizienz von Rechenzentren, die die Kosten des Rechenzentrums an die Verkaufstransaktionen der Kunden bindet und so den illusorischen Wendepunkt zwischen Effizienz und Effektivität des Rechenzentrums darstellt. In diesem Fall war der "Kunde" ein interner Kunde, und die Abwärme wurde nicht als Wärmeenergiequelle, sondern als Kühlungsquelle genutzt.

Das Project Mercury-Modell bietet in der Tat eine Vision für eine risikoarme Warmwasserkühlung, die vielen Rechenzentren zur Verfügung stehen könnte, ohne dass der Übergang zu einer Form der Direktkontakt-Flüssigkeitskühlung vollzogen werden muss. Beispielsweise können Rechenzentren, die Wärmetauscher an der Rückseite der Tür verwenden, mit Vorlauftemperaturen von über 65˚F betrieben werden, was die Rücklauftemperatur eines Rücklaufwasserkreislaufs für die Gebäudekomfortkühlung leicht übersteigt. Das Anzapfen des Rücklaufwassers ist im Wesentlichen freie Kühlung, und während der Jahreszeit, in der die Klimaanlage des Gebäudes möglicherweise nicht durchgehend läuft (oder überhaupt nicht, meine Freunde in Minnesota), können die Hintertürwärmetauscher über einen Economizer für freie Kühlung versorgt werden. Dasselbe Prinzip gilt für die Flüssigkeitskühlung mit direktem Kontakt, die in jeder Einrichtung mit einer nennenswerten Komfortkühllast im Wesentlichen kostenlos betrieben werden sollte.

In jüngster Zeit hat IBM Zürich das Konzept in einen voll funktionsfähigen Supercomputer in Zürich (LRZ SuperMUC-NG) umgesetzt, mit einem Parallelprojekt in Oak Ridge, Tennessee. Bruno Michel, Manager of Smart System Integration in den Zürcher Labors, behauptet, dass der Produktions-Supercomputer tatsächlich eine Anlage mit negativen Emissionen ist, da die gesamte IKT-Ausrüstung mit erneuerbaren Energien betrieben wird und die vom Rechenzentrum erzeugte Wärme und Kühlung eine Emissionsvermeidung darstellt. Das Temperaturprofil der verschiedenen Prozessschritte in Abbildung 1 hängt von der Kundensituation und den Anforderungen ab. Um beispielsweise bei wärmerem Wetter, wenn keine freie Kühlung verfügbar ist, das Netzwerk und die Speichergeräte zu kühlen und bei kühlerem Wetter nutzbare Wärmeenergie für die Fernwärmenetze bereitzustellen, wird das Rechenzentrum bei 149˚F betrieben. Zur Bereitstellung von Fußbodenheizung für Privatkunden kann die Temperatur auf 131˚F sinken, und zur Unterstützung der freien Kühlung in Oak Ridge wird sie auf 113˚F betrieben. Die Fahrenheit-Absorptionskältemaschine arbeitet mit einer Antriebstemperatur von 127˚F und liefert 68˚F kaltes Wasser an die Kühleinheiten, die Speicher- und Netzwerkgeräte versorgen, mit einer Gesamtkühlleistung von 608 kW.

Das IBM-Projekt beruht auf einer bahnbrechenden Innovation zur Verringerung des Wärmewiderstands, wodurch eine höhere Wassertemperatur am Chip möglich wird, was zu einer tatsächlichen Verbesserung der Gesamtleistung des Chips führt. Nichtsdestotrotz kann jede der verschiedenen heute auf dem Markt erhältlichen Direktkontakt-Flüssigkeitskühlungslösungen einen erheblichen Teil der Vorteile der Heißwasserkühlung bieten. Sie alle geben an, wie heiß das "kühlende" Versorgungswasser sein darf, um angemessene Chiptemperaturen aufrechtzuerhalten und sogar die Chipleistung gegenüber der herkömmlichen Luftkühlung zu verbessern. Auch wenn diese Temperaturen vielleicht nicht hoch genug sind, um herkömmliche Heizquellen (Heizkessel usw.) direkt zu ersetzen oder Absorptionskältemaschinen anzutreiben, sind sie doch hoch genug, um den für Wärmepumpen erforderlichen Auftrieb zur Anhebung der Wärme auf ein nutzbares Niveau drastisch zu reduzieren. Darüber hinaus sollte bei Flüssigkeitskühltemperaturen kein Bedarf an Kältemaschinen oder mechanischer Kühlung bestehen. Nächstes Mal werden wir uns mit den Investitions- und Betriebskosten befassen, die mit der Nutzung der Vorteile der Warmwasserkühlung verbunden sind, sowie mit einigen der größeren gesellschaftlichen und infrastrukturellen Herausforderungen.