Wärmerückgewinnung „Grüne“ Kühlung für Supercomputer

Nicht nur, aber vor allem in Unternehmen ist Gebäudeklimatisierung heute fast selbstverständlich und beispielsweise bei Rechenzentren unabdingbar. Alleine in Deutschland laufen insgesamt bereits mehr als 120 Millionen Klimaanlagen, und es werden immer mehr. In erster Linie kühlen sie strombetrieben. Bleibt das so, führt dies zwangsläufig zu einer Zunahme des Stromverbrauchs und damit der CO 2-Emissionen. Zudem arbeiten konventionelle Klimaanlagen mit synthetischen Kühlmitteln, die den Treibhauseffekt fördern und damit die Umwelt zusätzlich belasten. Als „grüne“ Klimatisierungs-Variante kann die Umwandlung vorhandener Abwärme in Kälte mittels Adsorption dienen.

Energiesparen durch Kühlen mit Abwärme

Thermische Kälteanlagen auf Basis der Absorptiontechnologie, die Wärmeenergie statt Strom nutzen, gibt es schon länger. Solche Aggregate arbeiten jedoch meist mit umwelt- und gesundheitsschädlichen Kältemitteln wie Lithiumbromid oder Ammoniak. Zudem eignen sich diese Lösungen zumeist erst bei Abwärmetemperaturen von über 90 °C und Kälteleistungen von mehr als 50 kW. Einen anderen Ansatz verfolgt Sortech: Das 2002 aus dem Fraunhofer ISE ausgegründete Unternehmen entwickelte erstmals Kälteaggregate auf Basis des Adsorptionsverfahrens, die zur Kälteerzeugung Abwärme im niedrigen Temperaturbereich von 55 bis 95 °C nutzen. Wasser als natürliches und umweltverträgliches Kältemittel senkt den CO 2-Ausstoß und die Betriebskosten im Vergleich zu strombetriebenen Kälteanlagen um bis zu 90 Prozent. Hinzu kommt der Beitrag zu Umwelt- und Klimaschutz, da auf den Einsatz zusätzlichen Stroms und synthetischer Kältemittel verzichtet werden kann. Die Adsorptionskälteaggregate lassen sich in Kombination mit unterschiedlichen Wärmequellen betreiben, wie solarthermische Anlagen, Brennstoffzellen, BHKW, Nah- und Fernwärmenetze oder industrielle Prozesse. Die anfallende Abwärme wird so zur „grünen“ Klimatisierung von Wohnhäusern, Büro- und Gewerbeeinheiten oder industriellen Prozessen eingesetzt.

Rechenzentren als Stromfresser

Vor allem Rechenzentren stehen vor besonderen Herausforderungen, wenn es um die zuverlässige und gleichzeitig wirtschaftliche Kühlung geht. Deren Klimatisierungsinfrastruktur ist abhängig vom Energieverbrauch der IT-Infrastruktur, denn dieser wird vollständig in Wärme umgesetzt und muss aus den Rechenzentren wieder abgeführt werden. Deshalb benötigen sie etwa gleich viel Energie für die Kühlung wie für den Betrieb ihrer Rechner. Alleine in Deutschland sind das rund zehn TWh Strom mit Kosten in Höhe von rund 1,3 Milliarden Euro. Umso entscheidender ist der konsequente Einsatz effizienter Technologien zur Verringerung des Energieverbrauchs. Hier lohnt sich der Einsatz bisher ungenutzter Abwärme zur Kühlung besonders. Ein innovatives Kühlkonzept wurde im Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) in Garching bei München umgesetzt. Das LRZ hat sich nicht nur als Rechenzentrum der beiden Münchner Universitäten einen Namen gemacht, sondern vor allem durch seine Hochleistungsrechner, die mit bis zu drei Billiarden Rechenoperationen pro Sekunde zu den schnellsten der Welt zählen.Der wirtschaftliche und technische Aufwand für die Klimatisierung von Supercomputern wie dem „Megware CooLMUC“ des LRZ ist immens. So erfolgt eine Kühlung der Hauptprozessoren und Arbeitsspeicher durch direkte Warmwasserkühlung (siehe auch Energy 2.0 Oktober 2012, S. 50). Die Rechnerwärme wird über eine sogenannte Betonkerntemperierung im Winter zur Beheizung der angrenzenden Bürogebäude genutzt. Switches, PDUs und Netzteile werden durch konventionelle Kompressionskältemaschinen mit 40 kW Kälteleistung umluftgekühlt. Der Hauptteil der Kühlung des Rechners erfolgt somit über konventionelle Kompressionskälte. Im Sommer kommt die adsorptive Kühlung durch die Kälteaggregate zum Einsatz. Mit Abwärme von 50 bis 65 °C liefern die Maschinen ideale Einsatzbedingungen. Durch entsprechende Skalierung ist eine optimale Anpassung auf die Abwärmeleistung und den Kältebedarf möglich.

Kombination steigert Effizienz

Doch warum nutzt man die Abwärme der Kompressionskühlung erneut, um damit einen verhältnismäßig kleinen Teil der Gesamtkälteleistung zu erzeugen? Die Antwort liegt in der Steigerung der Gesamteffizienz des Systems um fast ein Fünftel. So erreicht die Kälteleistung durch Kompressionskältemaschinen 42 kW bei 12 kW Leistungsaufnahme. Durch Kombination konventioneller mit adsorptiver Kühlung kann die Gesamtkälteleistung auf 50 kW gesteigert werden, und dies ohne zusätzlichen Energieeinsatz. Die Verwendung der Abwärme für die Beheizung von Gebäuden sowie zur Erzeugung von Prozesskälte für die Kühlung anderer Geräte ermöglichen eine Absenkung des Energieverbrauchs im LRZ in Höhe von 20 bis 30 Prozent gegenüber herkömmlichen Rechenzentren. Die Amortisationszeit der zusätzlichen Adsorptionsaggregate liegt beim LRZ durch den ganzjährigen Betrieb bei unter drei Jahren. Zudem wird Adsorptionskühlung wegen der positiven Umwelteffekte durch staatliche Programme gefördert. „Grüne“ Klimatisierungstechnologien werden ihre Marktanteile bei laufend steigenden Energiepreisen und zunehmender Bedeutung nachhaltiger Lösungen weiter ausbauen. Hocheffiziente Adsorptionsaggregate nutzen Silikagel und Wasser als natürliches und umweltverträgliches Kältemittel. PST (Partial Support Transformation), eine neue Zeolith-Beschichtungstechnologie verspricht zudem die Reduzierung von Größe und Gewicht der Wärmetauscher. Damit lassen sich Kühlkonzepte künftig individueller und kompakter an die Nutzeranforderungen anpassen und auch mobile Anwendungen, wie in Schiffen oder Elektrofahrzeugen, werden realisierbar.