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Der Computer als Heizkörper?

Moderne Rechenzentren können mehr als rechnen

Rechenzentren sind wahre Monster: Sie verbrauchen Unmengen von Strom, produzieren jede Menge Abwärme und die Klimaanlagen zur Kühlung der sensiblen Rechner setzen beim Stromverbrauch noch eins drauf. Da aber der Bedarf an Rechnerkapazitäten weltweit dramatisch steigt, ist Handlung dringend geboten. forum zeigt, was geht.

© BoschDie Digitalisierung und damit der Bedarf an Rechenleistung steigt exponentiell und bereits 1,6 Prozent des globalen Stromverbrauchs gehen auf Rechenzentren zurück – mit steigender Tendenz. Zwar wird der Betrieb der IT-Services immer effizienter und energiesparender, doch unterm Strich nimmt der Energieverbrauch trotzdem stetig zu. Das liegt nicht zuletzt am Erfolg der digitalen Ökonomie.
 
Die Verfügbarkeit der Rechenleistung (CPU, GPUs), der Speicherkapazität (Festplatten, SSD) und der Kommunikationsbandbreite (Breitbandkabel, Glasfaser, WLAN, Mobilfunk) ist massiv gestie­gen – bei einer gleichzeitig dramatischen Preisreduktion pro Leistungseinheit. Dadurch sind heute Anwendungsprozesse wie „maschinelles Lernen" – Stichwort „künstliche Intelligenz", (AI, KI) oder „deep learning" möglich. Obwohl diese Lernverfahren seit über 30 Jahren bekannt sind, wurden erst 2006 wichtige Tricks entdeckt, um mit riesigen Datenmengen noch deutlich besser lernen zu können. So kann künstliche Intelligenz in neue Wirkungsbereiche vordringen, die lange undenkbar waren und Effekte erzielen, die gelegentlich als „disruptiv" beschrieben werden.

Daten Daten Daten
Die „teuersten Firmen der Welt wurden innerhalb kürzester Zeit von IT-Unternehmen überholt. Google, Alphabet, Facebook, Amazon und Co. haben Assets, die immer wertvoller werden: Daten. Sie werden deshalb schon als „Datenbarone” bezeichnet, was nicht nur ihre neue gesellschaftliche Machtstellung andeutet, sondern auch auf die gigantischen Datenmengen hinweist, die sie von Anfang an wohlstrukturiert gesammelt und auszuwerten gelernt haben.

Neue Entwicklungen wie IoT (Internet of Things), Video-on-Demand, Industrie 4.0, selbstfahrende Autos oder Smart Home beschleunigen das Anwachsen der Datenmengen, die von Rechenzentren in Höchstgeschwindigkeit verarbeitet werden müssen. Und diese Rechenzentren arbeiten wie unser eigenes Gehirn nur mit ausreichend Nahrung – Strom. Technologische Innovationen wie Miniaturisierung und Verdichtung auf Ebene der Hardware kompensieren diesen Leistungshunger teilweise.
 
Weiteres Potenzial steckt in der Daten- und Lastverteilung in die sogenannte „Cloud". Der physische Ort der Rechen- und Speicherleistung ist zweitrangig und wird dynamisch in der „Wolke" auf freie, günstige Kapazitäten verschoben. Diese können sich an Orten mit besonders billigem Strom oder besonderen Betriebsbedingungen befinden. Doch eines ist klar: -Der weltweite Leistungshunger in Sachen Datenverarbeitung ist riesig und wächst rasant, und die Rechnerleistung ist mit zunehmendem Stromverbrauch und einer riesigen Abwärmeproduktion verbunden. Neue Lösungen sind also gefragt.

Rechnen lassen, wo der Strom fließt
Es gibt bereits eine Reihe von Vorschlägen zur Optimierung von Rechenzentren. Der erste besagt: „Stromverbrauch aus regenerativen Quellen". Gut!

Ökostrom ist das Verkaufsargument von „grünen” Rechenzentren, doch das ist vielen noch zu wenig. Da sich Daten im Gegensatz zu Energie effizient und verlustlos transportieren lassen, soll das umweltoptimierte Rechenzentrum so nahe wie möglich dorthin, wo der Ökostrom entsteht. Also in die Nähe von Sonnen-, Wind- oder Wasserkraftwerken – mit schneller breitbandiger Datenanbindung. Leitungsverluste beim Stromtransport werden damit vermieden. Besser!

Apple, Microsoft, Google & Co. bauen riesige Rechenzentren deshalb genau an die Schnittstellen von billigem (und manchmal auch grünem) Strom und guter Internetanbindung.

Unterirdisches Rechenzentrum mit Ökostrom und Wasserkühlung
 Ein gigantisches, unterirdisches Rechenzentrum im Stollen. Die ehemalige Lefdal Mine bieten ideale Voraussetzungen: Öko-Strom aus Wasserkraft im Überfluss, starke Internetanbindung, Bomben und Terrorsicherheit, einfache Kühlung. Eine Nutzung der Abwärme erfolgt jedoch nicht. © www.lefdalmine.comInzwischen ist das nicht nur den Großen vorbehalten. Wer heute ein modulares Rechenzentrum selbst aufbauen und nachhaltig betreiben möchte, packt einen Iso-Container und mietet sich einen geeigneten Stellplatz. Zum Beispiel in Norwegen, wo Ökostrom aus zuverlässiger Wasserkraft im Überfluss vorhanden ist. Etwa in der Lefdal Mine in Norwegen.
 
In dieser alten Eisenerzmine werden die Stollen in einer Kooperation mit IBM und Rittal abschnittsweise zu einem riesigen Datacenter ausgebaut, betrieben und vermarktet. Die Betriebskosten sind günstig, dank des reichen Angebotes nachhaltiger Energiequellen und einfacher Kühlung durch Meerwasser in der Nähe. Zudem wird auch die hohe Resilienz und physikalische Datensicherheit, inklusive Bomben- und Zutrittssicherheit beworben. Eine schnelle und redundante Internetanbindung ist sichergestellt. Dieses Konzept ist interessant, wenn die Übertragungsgeschwindigkeit unkritisch und die Bandbreitenanforderung nicht allzu hoch sind.

Die Container werden zum Beispiel in Deutschland mit der benötigten IT-Hardware und Software bestückt und gehen nach ausführlichen Tests auf die Reise nach Norwegen. Dort verbringt man Sie teilautomatisch in die unterirdischen Regale im Stollen. Die Überwachung und Wartung erfolgt aus der Ferne, in der Regel rein digital und bei Bedarf mit einer Bilderbuchanwendung der „Augmented Reality": Vor-Ort-Personal wird mit Unterstützung einer AR-Brille zur Problemquelle gelotst, etwa zur Inspektion oder zum Komponententausch. So weit so gut, aber…

Wie kann man Rechner kühlen?
Prinzipiell werden bei der Datenverarbeitung exakt 100 Prozent der elektrischen Energie in Wärme umgewandelt und diese müssen zu 100 Prozent abgeführt werden, um ein Temperaturgleichgewicht zu erhalten. Im einfachsten Fall wird Elektronik durch Umgebungsluft gekühlt. Kühlkörper unterstützen den Wärmeübergang vom Rechner in die Umgebung, bei höheren Leistungsdichten wird mit starken Ventilatoren nachgeholfen, um „Hot Spots" zu vermeiden. Bei noch höheren Leistungsdichten reicht die Luftkühlung nicht mehr aus und man verwendet Wasser oder andere Kühlflüssigkeiten statt Luft als Wärmetransportmedium. Die Kühlkörper auf den Serverchips werden dabei von Wasser durchströmt. Der Bau eines solches Server-Racks ist eine bislang ungewohnte Herausforderung an gute Ingenieursarbeit: Alle Wasserleitungen müssen absolut dicht sein (Kurzschlussgefahr) und gleichzeitig sollen die Module leicht wartbar, d.h. auch austauschbar sein. Tatsächlich gibt es seit langem erprobte Komponenten, beispielsweise tropffreie Schnellkopplungssysteme, die beim Bau modularer Hydraulikmaschinen unverzichtbar sind. Flüster-PCs für akustisch anspruchsvolle Umgebungen nutzen gerne spezielle Flüssigkeitskühlungen unmittelbar auf der Leistungselektronik: Mit diesen sogenannten „Heatpipes" vermeiden sie störende Lüftergeräusche.

Wieviel Energie schluckt die Kühlung?
© Cloud and HeatGenerell muss die Kühlung bzw. das Wärmemanagement von Rechnern überall unkritische Temperaturen gewährleisten. Zu heiße Stellen in der Elektronik, Hot Spots, beeinträchtigen die Lebensdauer oder können im Extremfall zum Brandrisiko werden. Bisher sind deshalb Lufttemperaturen von 15° bis 30° C im Serverbetrieb üblich. Dies enthält sehr große Sicherheitsreserven und verlangt weniger detaillierte Wärmeplanungen beim Elektronikdesign. Aber dies hat Nachteile: Ist die Umgebungsluft z.B. im Sommer nicht kalt genug, muss noch mal erhebliche Energie in Wärmepumpen gesteckt werden, um die Wärme genügend schnell abzuführen, um sie dann, wie heute üblich, in die Umwelt zu blasen.
 
Die Wärmepumpenenergie (=Kühlungsenergie) eines konventionellen Rechenzentrums kann dabei in wärmeren Gegenden mit 30-100 Prozent zusätzlicher Energie zu Buche schlagen. In kälteren Gebieten sind 12-30 Prozent üblich. Das Verhältnis von Gesamtenergie inklusive Kühlung, Pumpen etc. zu reiner IT-Energie (Server, Switches) wird in der gemittelten Größe „Power Usage Effectiveness" (PUE), abgebildet (z.B. besagt ein Wert von 1,2, dass für jede kWh IT-Leistung 1,2 kWh Strom, also extra 20 Prozent für Kühlung etc. aufgewendet werden müssen). Seit langem nutzt man – wenn immer möglich – „freie Kühlung", d.h. Umgebungsluftkühlung ohne energieaufwendige Wärmepumpen. Google baute Rechenzentren mit Servern in Spezialcontainern mit großen Kühlrippen, um im Freien stehend so viel Pumpenergie zu sparen wie möglich. Das Nixdorf Data Center in Erding zielt beispielsweise auf einen sportlichen PUE Wert von 1,07 dank einer effizienten Wasserkühlung – allerdings bisher (auch) ohne Wärmezweitnutzung.

Wie kann man Abwärme sinnvoll nutzen?
Will man die Abwärme von Rechenzentren sinnvoll nutzen, ist dies ohne Umwege selten möglich: Mit Abluft oder Kühlwasser auf dem Temperaturniveau von 30° C lassen sich im Winter gerade eben Gewächshaus-, Schwimmbad- oder Fußbodenheizungen speisen. Mit Wärmepumpen (= „Kältemaschine") lässt sich die Temperatur auf das benötigte Niveau heben, um als Heizungsenergie aller Art zu dienen. Wie kann man den Extrastrom für die Wärmepumpen einsparen? Kurz gesagt, indem man die Elektronik heißer betreibt. Nach vielen Evolutionsschritten vom Kühlhaus zu 30° C-Luftsystemen gibt es nun einen Sprung zu „Hochtemperatursystemen" mit Flüssigmedien. Sie sind präziser geplant und schaffen durch kluge Bauteilauswahl und geeignete Konstruktion eine Vorlauftemperatur von derzeit 60° C.

Ein Innovationstreiber kommt aus Sachsen
Das Dresdner Startup „Cloud and Heat" kühlt die Hochleistungschips der verbauten Rechner mit 55° C „kaltem" Wasser, welches dabei auf 60° C aufgeheizt wird. Mit diesem bemerkenswerten Temperaturniveau ist nicht nur die direkte Nutzbarkeit der Abwärme, sondern auch eine wesentliche Einsparung der Kühlungsenergie und –kosten verbunden. Hier kann die Wärme zur Brauchwasser- und Gebäudeheizung direkt oder via Fernwärmeleitungen genutzt werden. Hochtemperatur-Systeme sind daher eine spannende Entwicklung, die es ermöglicht, Server-Abwärme energetisch optimal zu nutzen. Noch sind es Kleinserien für Rechner und Einschubsysteme, die nicht für alle Anwender interessant sind. Idealerweise würden große Hardwareabnehmer und Rechenserviceanbieter wie Google, Facebook, Amazon, Microsoft, etc. dies erkennen und Hochtemperatur-Systeme zum preiswerten Standard machen.

Doch es gibt auch hier immer noch das sommerliche Hitzeproblem: Finden sich zu dieser Jahreszeit nicht genügend Wärmeabnehmer, muss der Überschuss mittels einfacher Dachkühler in die Luft geblasen werden. Das ist wenig sinnvoll und heizt die Umwelt zusätzlich auf. Es stellt sich daher die Frage, wie kann die anfallende Abfallwärme ganzjährig besser genutzt werden?

Wärmeverteilung im Netz
Unsere skandinavischen Nachbarn sind uns da beispielgebend voraus: Dänemark hat seit vielen Jahren das welt-größte Fernwärmenetz und ein Energieeinspeisungsgesetz, das es unkompliziert erlaubt, überschüssige Wärmeenergie ins Netz zu speisen. Speziell in dichtem Siedlungsgebiet ist Fernwärme auch im wärmeren Deutschland sinnvoll und wettbewerbsfähig. Doch die Netzbetreiber sind oft selbst Wärmeanbieter (Heizkraftwerke, Biogasanlagen) und weitere Wärmelieferanten werden als potenzielle Konkurrenzanbieter betrachtet. Daher könnte ein entsprechendes Einspeisegesetz auch bei uns die Optimierung der Zweitnutzung von Wärme voranbringen und helfen, riesige Mengen an fossilen Brennstoffen einzusparen. Ein erster Schritt wurde durch die vielerorts geförderten kommunalen „Wärmekataster" getan. Wenn auch bislang noch wenig genutzt, machen sie potenzielle Wärmeanbieter und Nachfrager sichtbar und vereinfachen es, eine reale Nutzung anzubahnen.

Wo kein passender großer Wärmeabnehmer vorhanden ist, ist die dezentrale Nahwärme eine gute Small-Scale-Strategie. Cloud-and-Heat bietet deshalb kompakte Hochtemperatur-Serversysteme (vom Schrank bis zum Iso-Container) als zukunftsweisende Wärmequelle für Wohnhäuser oder zur gewerblichen Nutzung an. Das Start-up aus Dresden hatte aber anfangs nicht nur Schwierigkeiten, die IT- und Wärmekapazitäten getrennt zu vermarkten, sondern kämpfte auch mit dem generellen Problem des saisonalen Wärmebedarfs.

Das Wiener Start-up „Blue Marble" setzt deshalb auf Erdwärmespeicherung. Ein riesiges Erdvolumen wird über 100-150 m tiefe Erdsonden als Ganzjahres-Wärmepuffer genutzt. Im Sommer wird die Abwärme in der Erde deponiert und im Winter über Wärmepumpen wieder (zu geschätzten 70 Prozent genutzt. Das vermeidet sommerliche Umwelterhitzung und optimiert in der Heizperiode die Erdwärmepumpen-­Effizienz (siehe Interview auf Seite 55).

Wer ist jetzt am Zug?
Angesichts der riesigen ungenutzten Energiemengen ist es geboten, den Wärme(zweit)nutzungsmöglichkeiten von Rechenzentren viel mehr Aufmerksamkeit zu schenken. Aspekte wie verantwortungsvoller Energieeinsatz, unnötiger Ressourcenverschleiß und Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen inklusive deren versteckten, oft blutigen, geostrategischen Konflikten, kommen in viel zu wenigen Abwägungen vor. Was kann der Einzelne tun? Zunächst gilt es ein „no-free-lunch" Bewusstsein zu etablieren, dass hinter jedem digitalen Service – auch den kostenlosen – hinter jeder Suchanfrage, jedem Internetmedium, jedem target-Werbebanner, jedem Sprachkommando, jeder Nachricht, jeder Bitcoin ein realer Ressourcenverbrauch woanders versteckt ist. Ein unscheinbarer, aber in Summe erheblicher. Sie sollten deshalb u.a. bei ihrem IT-Dienstanbieter nachfragen, ob und wie er Energie spart und Abwärme nutzt. Das beschleunigt die Aufmerksamkeitsbildung bei den Planern und Entscheidern.

Denkt man in größeren als in rein ökonomischen Zusammenhängen, wird klar: Das Feld der smarten Energie-Zweitnutzung ist eine sektorübergreifende Industrieaufgabe, die wir besser heute als morgen anpacken.
 
Dr. Jörg Walter studierte Physik in München und USA, promovierte und habilitierte über naturwissenschaftliche Informatik in den Gebieten angewandtes neuronales Lernen, Datamining und Visualisierung. Neben langjähriger wissenschaftlicher und Dozententätigkeit in diesen Gebieten arbeitet er u.a. an Nachhaltigkeitsthemen. Er berät Unternehmen in IT-Fragen und interessiert sich für komplexe gesellschaftliche Fragen.

Dieser Beitrag ist mit der freundlichen Unterstützung des Österreichischen Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie entstanden. Entgeltliche Einschaltung.

Technik | Cleantech, 01.09.2018
Dieser Artikel ist in forum Nachhaltig Wirtschaften 02/03 2018 - Wasser - Grundlage des Lebens | Bildung erschienen.
     
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