Sparmodell: KWKK kühlt Serverschränke

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• Für die Kühlung von EDV-Servern ist die Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung prädestiniert: Die Kälteleistung wird über eine mit der BHKW-Abwärme betriebenen Kältemaschine erzeugt. Mit dem Konzept lassen sich höchste BHKW-Laufzeiten erreichen.
• Zur schnellen Refinanzierung tragen der vermiedene Strombezug für den alternativen Betrieb einer Kompressions-Kältemaschine sowie die Stromerzeugung mit maximaler Selbstnutzungsquote bei.
• In dem Referenzprojekt wurde ein standardisiertes System eingesetzt, dass eine Amortisationszeit von 5,1 Jahren erreicht. Durch einen Förderzuschuss refinanziert sich die Anlage schon nach 3,1 Jahren.

Kommunen können durch die Erneuerung ihrer technischen Anlagen ihre Energiekosten deutlich senken. Der Austausch amortisiert sich besonders schnell, wenn die Maßnahmen staatlich gefördert werden. Ein ­aktuelles Beispiel, wie sich eine kommunale ­Investition zu einem solchen Sparmodell ent­wickeln kann, liefert die Universitätsstadt ­Marburg Abb. 1. Dort hatte der Magistrat ent­schieden, die zentralen EDV-Server über eine Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungs-Anlage (KWKK) zu kühlen. Das neue System, das seit Anfang September 2011 rund um die Uhr den Kälte- und Strombedarf der EDV-Server deckt, besteht aus einer Adsorptionskältemaschine von Invensor und einem Blockheizkraftwerk von ­SenerTec.

Der Spareffekt resultiert aus der hohen Energieeffizienz der KWKK-Anlage: Mit der Stromerzeugung verrechnet, verringert sich der Strombezug der EDV-Server um über 70 %. Pro Jahr spart die Stadt Marburg so bei den Betriebskosten 15585 Euro/a, der größte Anteil davon entfällt auf geringere Energiekosten. Die Investi­tionskosten von rund 80000 Euro für die Anlagen amortisieren sich mit 32000 Euro an Fördermitteln in etwas mehr als drei Jahren. Ohne die Förderung würde sich die Refinanzierung um gut zwei Jahre verlängern und wäre auch dann eine attraktive Investition gewesen.

Gesucht: Das perfekte EDV-Kühlsystem

„Zunächst hatten wir aus Brand-, Wasser- und Einbruchschutzgründen neue, hermetisch abgeschlossene Serverschränke (Rittal, Abb. 2) angeschafft, da die zuvor aufgestellten Serverschränke den Anforderungen nicht mehr genügten“, berichtet Peter Wagner Abb. 3, Energiebeauftragter für städtische Liegenschaften der Universitätsstadt Marburg. „Die Herausforderung bestand nun darin, ein entsprechendes Kühlsystem zu wählen, das sowohl ökologisch, als auch wirtschaftlich ein Optimum darstellt.“ Denn in Rechenzentren ist der Energieeinsatz besonders hoch. Neben den Kosten für den Betrieb der IT-Technik entfallen bis zu 50 % der gesamten Energiekosten auf die Kühlung (Quelle: Bitcom; Fraunhofer IZM).

Der Magistrat der Universitätsstadt Marburg folgte schließlich einer Empfehlung der Energie-Beratungsfirma Freischlad. Installiert wurde eine Kältemaschine LTC Abb. 4 mit 9 kW Nennkälteleistung in Verbindung mit einem BHKW Abb. 4 mit 5,5 kW elektrischer und 12,5 kW thermischer Leistung. Wagner, der dem Magistrat eine Empfehlung für die InvenSor-Adsorptionstechnologie ausgesprochen hatte, war vor allem von der aufeinander abgestimmten Technik der Kältemaschine und des BHKWs begeistert. „Die KWKK-Anlage erfüllte die besonderen Anforderungen vor Ort am besten.“

Mit Wärme kühlen

Die Vorteile der neuen KWKK-Anlage ergeben sich aus der thermisch angetriebenen Kälteerzeugung. Statt Elektrizität, wie eine handelsübliche Kompressions-Kältemaschine, nutzt die Adsorptionskältemaschine die Abwärme des BHKWs als Antriebsenergie. Als Kältemittel wird reines Wasser verwendet. Während der kalten Jahreszeit können die Server mittels der integrierten Free-Cooling-Funktion direkt über die kalte Außenluft gekühlt werden. Bis auf den relativ geringen Strombedarf von Pumpen und Rückkühlwerk wird dann keine Energie für die Kälteversorgung der Server verbraucht. Gleichzeitig kann die Abwärme des BHKWs während dieser Zeit vollumfänglich zur Gebäudebeheizung genutzt werden.

Durch die ganzjährige Abnahme der Wärme erreicht das BHKW-Modul eine Laufzeit von rund 8000 h/a und erzeugt dabei ca. 44000kWh Strom, der überwiegend durch den Betrieb der Server direkt verbraucht wird (Jahresbedarf: 70000 kWh). Temporäre Überschüsse aus der Stromerzeugung des BHKWs werden in das öffentliche Stromnetz eingespeist und entsprechend vergütet. Die bisher zur Kühlung der Server eingesetzte Kompressionskältemaschine wurde abgeschaltet. Dadurch ist der Stromaufwand der EDV-Anlage um 41000 auf aktuell 26000 kWh/a gesunken. Bezogen auf die vorher erforderlichen 111000 kWh/a für Betrieb und Kühlung der Server wurde der Strombezug um ca. 77 % verringert Abb. 5. Rechnerisch ergibt sich daraus ein um 38 t/a geringer Ausstoß an CO₂-Emissionen.

Ausfallsicherheit groß geschrieben

Neben den positiven Kosten- und Umwelt­aspekten spielte auch die doppelte Ausfall­sicherheit eine wichtige Rolle bei der System-Entscheidung – immerhin ist der Betrieb von über 700 Computern der öffentlichen Verwaltung von den Anwendungsprogrammen der zentralen EDV-Server abhängig. Würden die Server mangels Kühlung ausfallen, käme die ­Arbeit u.a. in der Passstelle, im Jugend- und im Sozialamt zum Erliegen. Für eine redundante Kälteerzeugung sorgt eine mit Netzstrom betriebene Kompressionskältemaschine, die passend zum Gesamtkonzept von InvenSor ­geliefert wurde.

Die vorhandene EDV-Raumklimatisierung wurde gegen die Kältemaschine, einen 500-l-Kaltwasserpufferspeicher sowie einen Rückkühler mit EC-Ventilator ersetzt. Jeder Serverschrank verfügt über seine eigene Umluftkühlung, die über einen Kaltwasser-Wärmeübertrager gespeist und reguliert wird. Die gesamte KWKK-Anlage konnte platzsparend in einem Raum installiert werden.

Status einer „Demonstrationsanlage“

Die energie- und kostensparende Serverkühlung kann auch in anderen Kommunen Schule machen, davon ist man in der Stadtverwaltung Marburg überzeugt. Bisherige effizienzsteigernde Anwendungen zur Kühlung von EDV-Servern hätten nur partielle Lösungen für einzelne Energieströme geboten. Mit der speziell für den ganzjährigen Kühl- und Strombedarf von Rechenzentren entwickelten InvenSor-Lösung lasse sich nun die Kühlung zu einem Bruchteil der bisherigen Stromkosten verwirklichen, so der Technische Leiter der Stadt. Das Bundesland Hessen kam nach intensiver Prüfung des Konzepts zu demselben positiven Ergebnis und förderte die Installation der Anlage mit 32000 Euro. Zudem verlieh das Bundesland dem Projekt gemäß § 4–8 des Hessischen Energiegesetzes den Status einer „Demonstrationsanlage“, also einer technisch wie wirtschaftlich erfolgreichen, zukunftsweisenden Technologie. •

Mehr Infos zum Thema in den TGAdossiers Mini-KWK und Sorption: Webcode 716 bzw. 1033

Die Besonderheit der Adsorptionskältemaschine von InvenSor ist ihr niedriger Temperaturbedarf für den Austreiber. Bereits bei 65 °C Antriebstemperatur erreicht sie fast 100 % ihrer Leistung. Dadurch kann sie die Abwärme aus industriellen Prozessen oder Solarthermie als Antriebsenergie nutzen. Besonders qualifiziert ist sie für die Verwendung in einer Kraft-WärmeKälte-Kopplungs-Anlage (KWKK). Als Kältemittel wird reines Wasser verwendet, das in einem evakuierten Reaktor an Zeolith im Wechselbetrieb ad- und desorbiert wird. Im Inneren des Reaktors (Vakuumbereich) sind keine aktiv bewegten Komponenten erforderlich. Die Kältemaschinen sind für einen Leistungsbereich von 5 bis 100 kW konzipiert. Er muss nicht für Inspektions- oder Wartungszwecke geöffnet werden und kann darum dicht verschweißt werden. Alle InvenSor-Kältemaschinen sind auf den Anschluss an das Internet vorbereitet, sodass Unterstützung bei der Inbetriebnahme auch aus der Ferne möglich ist. Über die Online-Schnittstelle können auch kundenspezifische Wünsche und Anpassungen per Software-Update vorgenommen werden, z.B. eine bestimmte Regelungsstrategie. Die InvenSor-Kältemaschinen wurden mit dem Kältepreis des Bundesumweltministeriums 2009 und dem Intersolar Award 2010 ausgezeichnet. https://invensor.com/

ist Geschäftsführer der EnergieDienstLeistungen & HausVerwaltung EDL & HV Freischlad GbR, 35708 Haiger, http://www.edl-hv.de/