FOM Hochschule für Oekonomie & Management Hochschulzentrum Essen Standort München Studiengang zum Bachelor of Science (B.Sc.) Wirtschaftsinformatik – kommunal (Teilzeit) München Stadt 3. Semester Seminararbeit in IT-Infrastruktur Kühltechnik im Rechenzentrum „Wieviel Energie kann durch den Einsatz innovativer Kühlsysteme eingespart werden?“ Betreuer: Prof. Dr. Markus Brandstätter Autor: Severin Benz Matrikelnr.: 563785 Abgabedatum: Freitag, 21. Januar 2022 II Inhaltsverzeichnis Vorwort ........................................................................................................................ III 1. Einleitung ............................................................................................................ 1 1.1. Ausgangslage ....................................................................................................... 1 1.1.1. Hinleitung zur Forschungsfrage .............................................................................. 1 1.2. Ziel ..................................................................................................................... 2 1.3. Aufbau dieser Arbeit ............................................................................................. 2 2. Literaturanalyse und Recherche .............................................................................. 3 2.1. Effizienz von Kühlsystemen .................................................................................. 3 2.1.1. Power Usage Effectiveness (PUE) .......................................................................... 3 2.1.2. Partial Power Usage Effectiveness (pPUE) .............................................................. 4 2.1.3. Ergebnisse aus PUE und pPUE............................................................................... 5 2.1.4. Beispiele für effiziente Kühlsysteme ....................................................................... 5 2.1.4.1. KyotoCooling ............................................................................................... 5 2.1.4.2. Hochtemperaturkühlung ................................................................................. 6 2.1.5. Energieverbrauch der Rechenzentren in Deutschland ................................................ 7 2.2. Abwärmenutzung ................................................................................................. 7 2.2.1. Anergie und Exergie ............................................................................................. 7 2.2.2. Fernwärmenetz SWM ........................................................................................... 9 3. Abschätzung der möglichen Energieeinsparung ........................................................ 9 3.1. Maximale Energieeinsparung in Deutschland ......................................................... 10 3.2. Maximale Energierückgewinnung in Deutschland .................................................. 12 4. Praxisbezug ....................................................................................................... 14 4.1. Clean-Tech-Campus ........................................................................................... 14 4.2. SEM-Nord-Ost ................................................................................................... 14 5. Fazit.................................................................................................................. 15 6. Literaturverzeichnis ............................................................................................ 17 III Vorwort Die formale Grundlage der Arbeit liefert der Leitfaden zur formalen Gestaltung Seminar- und-Abschlussarbeiten – Stand Mai 2020. Zitation und Literaturverzeichnis sind hingegen an dem IEEE Reference Guide ausgerichtet. (https://journals.ieeeauthorcenter.ieee.org/your-role-in-article-production/ieeeeditorial-style-manual/) Da in dieser Arbeit keine Abbildungen, Tabellen verwendet wurden, und Abkürzungen, Formeln und Symbole in keiner großen Zahl vorkommen, wurden dazu keine Verzeichnisse erstellt. 1 1. Einleitung 1.1.Ausgangslage Die Stadt München zeigt sowohl von Seiten der Hochschulen als auch von der städtischen Verwaltung selbst ein großes Interesse an Digitalisierung und Nachhaltigkeit. Nicht nur diese sind Treiber von immer mehr und immer moderneren Rechenzentren in und um München. Viele Tech-Firmen wie Google, IBM, Apple, Broadcom und viele mehr verlegen ihre Kernstandorte in Europa nach München. Das Isar-Valley wird geboren.[1][2] Es ist ein sich selbst verstärkender Prozess. Sind erst viele Firmen hier angesiedelt, wohnen auch viele qualifizierte Arbeitskräfte in diesem Gebiet und der Standort wird auch für andere Firmen aus eben genau diesem Grund attraktiver. München hat noch einen kleinen Bonus, das Oktoberfest. Gerade international ist das ein bekanntes und beliebtes Fest, welches bei einer knappen Abwägung der Vor- und Nachteile einer Standortverlegung den Unterschied ausmachen kann. Der Eigenbetrieb it@m der Stadt zeigt, wie sehr auch die kommunale Politik an einer modernen und digitalen Stadt interessiert ist.[3] Ein wichtiger Bestandteil dieser Politik sind die zwei eigens betriebenen Datacenter. Eine Führung durch eines dieser städtischen Rechenzentren zeigte den Aufwand und die Bedeutung von Kühlung für den Betrieb von IT-Komponenten eindrucksvoll auf. Im Münchner Stadtrat spiegelt sich die grundlegend ökologische Haltung der meisten Münchner in einer Sitze-Mehrheit der Grünen wider.[4] 1.1.1. Hinleitung zur Forschungsfrage Vor diesem Hintergrund drängt sich die Frage auf, wie der IT-Bereich sowohl ökologisch als auch technologisch fortschrittlich gestaltet werden könnte. Zum einen kann der Energiebedarf der stromhungrigen Rechenzentren zu einem großen Teil oder idealerweise vollständig aus nachhaltigen Quellen wie Solarenergie gewonnen werden. Ein weiterer wichtiger Ansatz wäre die Art der Entsorgung der überholten oder defekten Komponenten. Der interessanteste Aspekt aber scheint die Kühltechnik zu sein, nicht zuletzt da hier 2 bereits ausgereifte Lösungen vorhanden sind, deren Effizienz weit über dem noch vorhandenen Durchschnitt der Kühlsysteme in Rechenzentren Deutschlands liegt. Da es sich bei dieser Arbeit um eine Seminararbeit handelt, ist eine Forschungsfrage sinnvoll, deren Beantwortung in diesem Rahmen geleistet werden kann. So soll hier, vornehmlich auf Recherche und Literaturanalyse basierend, die Frage: „Wieviel Energie kann durch den Einsatz innovativer Kühlsysteme eingespart werden?“ beantwortet werden. 1.2. Ziel Der Forschungsfrage liegt die These zu Grunde, dass bereits mit vorhandenen, ökonomisch rentablen Techniken der Energieverbrauch der Rechenzentren in Deutschland erheblich gesenkt werden kann. Dabei soll diese Arbeit im Besonderen die Politik motivieren, Rahmenbedingungen zu schaffen und Projekte zu ermöglichen, die solche Ansätze fördern und zeitgleich die Attraktivität des Standorts München als den IT-Standort Deutschlands zu etablieren. 1.3. Aufbau dieser Arbeit Begonnen wird im Kapitel 2 mit einer Literaturanalyse und Recherche zum gegenwärtigen technischen Stand rund um das Thema Kühltechnik von Rechenzentren. Dieses Kapitel teilt sich in zwei große Unterkapitel. Zunächst soll der naheliegende Ansatz untersucht werden, welche Kühltechniken geeignet sind, die Energieeffizienz zu steigern. Einen besonderen Anteil erhält dabei die Metrik PUE, welche einen Vergleich von Rechenzentren ermöglicht und damit auch eine Abschätzung der einsparbaren Energie in Deutschland liefert. Das zweite Unterkapitel versucht in sehr groben Zügen die Möglichkeiten zur Nutzung von Abwärme der Energieeinsparung hinzuzurechnen. Kapitel 3 unternimmt nun den Versuch, aus den in Kapitel 2 gewonnen Einblicken und Daten eine quantifizierte Antwort auf die Forschungsfrage zu geben. Zuletzt wird die Praxisrelevanz dieser Untersuchungen am Beispiel des realisierten nachhaltigen Kühlkonzeptes des LRZ in Kapitel 2 und dem Projekt Clean-Tech-Campus in Kapitel 4 dargestellt werden. Darüber hinaus soll das Potential einer Übertragung dieses Konzeptes auf ein großes städtisches Projekt, die SEM-Nord-Ost, aufgezeigt werden. 3 2. Literaturanalyse und Recherche Im Folgenden wird ein Blick auf die aktuelle Forschung rund um das Thema Kühlung beziehungsweise Energieeffizienz von Rechenzentren geworfen. Dabei werden im Besonderen die Metriken PUE (Power Usage Effectiveness) sowie pPUE (partial Power Usage Effectiveness) näher untersucht und die Bedeutung der Kühltechniken für diese Größen herausgearbeitet. Zuletzt werden im Unterkapitel 2.1 zwei Kühltechniken genauer vorgestellt, die als besonders energieeffizient gelten. Im Allgemeinen wird die Abwärme, welche aus der Kühlung des IT-Equipments entsteht, an die Umwelt abgegeben. Die darin enthaltene Energie geht somit verloren. Der zweite Abschnitt dieses Kapitels versucht dann zu erörtern, ob und unter welchen Bedingungen man diese Energie dennoch nutzen könnte. 2.1. Effizienz von Kühlsystemen In diesem Kapitel soll die Effizienz des Energieverbrauchs von Rechenzentren mit innovativen Kühlsystemen mit dem Durchschnitt sämtlicher Rechenzentren verglichen werden. Dazu wird eine gängige und wichtige Metrik zur Erfassung dieses Energieumsatzes dargelegt: die Power Usage Effectiveness (PUE). Gemeinsam mit dem durchschnittlichen Energieverbrauch der Rechenzentren in Deutschland kann so aus der Differenz von Optimum und Durchschnitt bereits eine erste Quantifizierung der einsparbaren Energie in Kapitel 3 getroffen werden. 2.1.1. Power Usage Effectiveness (PUE) PUE ist definiert [5, Kap. 3] als der Quotient aus dem gesamten Energieverbrauch einer Anlage und dem Energieverbrauch der vorhandenen IT-Systeme: πππΈ = πΈππππππππππππ πππ π΄πππππ πΈππππππππππππ πππ πΌπ-πΈππ’ππππππ‘π Dabei ist der Energiebedarf der Anlage definiert als der Energiebedarf, den das gesamte Rechenzentrum benötigt. Wird beispielsweise nur Strom als Energieträger verwendet, so könnte man diesen über den Hauptstromzähler des Gebäudes ermitteln. Andere Energiequellen, so auch beispielsweise gekühltes Wasser, müssen ebenfalls berücksichtig werden. Zu diesem Energieverbrauch tragen auch USV, Generatoren, Beleuchtung und vor 4 allem die Kühlung der Geräte bei. Letztere stellt in vielen Fällen den bedeutendsten Anteil an zusätzlichen Energiebedarf dar. [5, Kap. 7] Der Energiebedarf des IT Equipments umfasst den gesamten Verbrauch sämtlicher Geräte, die zur Speicherung, Berechnung, Kommunikation oder Steuerung von Daten verwendet werden. Beispiele hierfür sind Server, Switches, Monitore und viele mehr. Aus dieser Definition der PUE ergibt sich ein Wertebereich von 1 bis unendlich. Der durchschnittliche PUE in Deutschland lag 2015 bei 1,8.[6] Aktuell liegt der durchschnittliche PUE bei 1,63.[7] Viele neuere Rechenzentren weisen sogar einen Wert von unter 1.2 aus, wie beispielsweise das Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) in München, welches diesen Wert von 2 auf fast 1,1 verringern konnte.[6] Die im LRZ verwendete Kühltechnik wird in Kapitel 2 noch genauer dargestellt. Mit Hilfe der PUE lassen sich Rechenzentren sehr gut auf ihre Energieeffizienz untersuchen und vergleichen, allerdings ist eine korrekte Berechnung beziehungsweise Messung nicht trivial und soll im Rahmen dieser Arbeit auch nicht genauer untersucht werden. Problematisch wird die PUE auch dann, wenn das Gebäude nicht als reines Rechenzentrum dient, sondern beispielweise auch Büroräume enthält. Daher ist, je nach Nutzung, eine weitere Metrik von Interesse, die pPUE – partial power usage effectiveness. 2.1.2. Partial Power Usage Effectiveness (pPUE) Die pPUE wird ganz analog zur PUE definiert, allerdings beziehen sich die Größen nun nicht mehr auf die gesamte Anlage, sondern können auf einzelne begrenzte Bereiche eingeschränkt werden. Diese Bereiche können dabei nahezu beliebig definiert werden wie bestimmte Räume und Gebäude, aber auch in Bereiche mit eigenem Equipment oder geleastem. ππππΈ = πΈππππππππππππ πππ π΅πππππβπ πΈππππππππππππ πππ πΌπ-πΈππ’ππππππ‘π Im Fall von zwei Bereichen ergibt sich ein Zusammenhang von PUE und pPUE: πππΈ = π0 + r1 ∗ pPUE1 + r2 ∗ pPUE2 πΌ1 + πΌ2 5 Dabei ist vor allem zu bemerkten, dass der Overhead an Energiebedarf, der alle Bereiche betrifft (N0), nicht mit in die Berechnung der pPUE einfließt. Damit ist der Wert der pPUE weniger geeignet, um Rechenzentren miteinander zu vergleichen, gibt allerdings dennoch Aufschluss darüber, wie energieeffizient die Daten verarbeitet werden.[5, Kap. 7] 2.1.3. Ergebnisse aus PUE und pPUE Somit kann also aus einer Schätzung des Energiebedarfs von Rechenzentren in Deutschland, den momentanen durchschnittlichen PUE und der für diese Arbeit als ideal angenommenen PUE von 1,1 in einer einfachen Rechnung ermittelt werden, wieviel Energie sich durch den Einsatz von effizienten Kühltechniken sparen lässt. In keiner der bisher untersuchten Metriken wird eine mögliche Nutzung der Abwärme berücksichtigt, welche allerdings zur gesparten Energie gerechnet werden soll. Daher werden im Folgenden einige relevante Begriffe und Größen im Kontext der Nutzung von Abwärme recherchiert und dargestellt. 2.1.4. Beispiele für effiziente Kühlsysteme Im folgenden Abschnitt sollen zwei Kühltechniken vorgestellt werden, die in Münchner Rechenzentren Anwendung finden und einen PUE von unter 1,2 ermöglichen. Dabei wird zunächst ein Blick auf das sogenannte KyotoCooling geworfen, welche im Rechenzentrum München Ost des Noris-Network Anwendung findet. Als zweites Beispiel soll die Hochtemperaturkühlung der LRZ [8] vorgestellt werden. Diese bietet zudem die Möglichkeit einer Nutzung der Abwärme, worauf in zweiten Teil dieses Kapitels noch genauer eingegangen wird. 2.1.4.1. KyotoCooling Diese Kühltechnik arbeitet ohne Wasser und nur mit Luftströmen. Dabei wird die heiße Luft innerhalb der Serverräume mittels Radiatoren nach oben abgeleitet und in einem anderen Bereich des Gebäudes, der Kyoto Kühleinheit, welche in zwei Bereich unterteilt ist, geleitet. Anschließend passiert der Warmluftstrom mit 33°C das sogenannte Kyoto Rad von oben nach unten. Dieses ist ein großes Rad aus geriffeltem Aluminium, durch welches die Wärme sehr effizient, die Firma gibt 90% an, absorbiert werden kann. Der 6 Luftstrom, der nun wieder zurück zu den Serverräumen geleitet wird, hat im Anschluss nur noch 22,2°C.[9] In der zweiten Hälfte der Kühleinheit wird nun Luft von außen eingesaugt und durchströmt das Kyoto Rad von unten. Bei einer Außentemperatur von 19,4°C oder kälter, wird die Kühlung des IT-Equipments zu 100% durch das Kyoto Rad erreicht. Bei höheren Außentemperaturen muss das System noch durch ein Wärmepumpensystem mit Direktverdampfung unterstützt werden. Ab einer Umgebungstemperatur von 32,2°C wird die Kühlung vollständig über die Wärmepumpen realisiert.[9] KyotoCooling gibt an, damit PUE Werte von unter 1,1 erreichen zu können. Allerdings bezieht sich der Hersteller nicht auf die Definition der PUE wie in Kapitel 2.1.1, sondern auf die mechanische PUE: ππππΈ = πΈππππππππππππ πππ πΌπ-πΈππ’ππππππ‘π + πππβππππ πβππ πΈππππππππππππ πΈππππππππππππ πππ πΌπ-πΈππ’ππππππ‘π Das Rechenzentrum München-Ost selbst gibt allerdings eine PUE an, die mit 1,2 glaubwürdig nach der allgemeinen Definition der PUE ermittelt worden ist.[10] Das gesamte System kommt dabei ohne Wasser aus und nutzt nur Luft als Medium des Wärmetransports. Dies bringt viele Vorteile mit sich, von einer einfacheren Wartung und Skalierbarkeit bis hin zu einem geringeren Wasserverbrauch. Nachteilig hingegen ist, dass ein solches System die Wärme in die Umgebung abgibt und keine Möglichkeit einer weiteren Nutzung erlaubt.[9] 2.1.4.2. Hochtemperaturkühlung Viele Rechenzentren, so auch das LRZ in München, setzen hingegen auf einer Kühlung der Komponenten mittels Wasser. Dabei zirkuliert dieses in einem geschlossenen Kreislauf, wobei die Temperatur durch die maximale Betriebstemperatur der zu kühlenden Komponenten bedingt wird. Die meisten Bauteile, wie CPU, RAM oder SSD Festplatten können dabei auf maximal 85°C erwärmt werden, Hard Drive Festplatten hingegen benötigen eine Temperatur von höchstens 45°C.[11] Wie in den meisten Rechenzentren, so ist auch im LRZ eine räumliche Trennung von Hard Drive Festplatten und anderer ITInfrastruktur vorgesehen. So ist es möglich, mit zwei Kühlkreisläufen auf 7 unterschiedlichen Temperaturen sämtliches Equipment zu kühlen. Mit einem hybriden Kühlmodell ist es so dem LRZ möglich, welcher auch den Hochleistungsrechner SuperMUC beinhaltet, eine PUE von 1,1 zu erreichen. Dabei wird ein Teil der Wärme aus dem Hochtemperatur-Kreislauf zur Gebäudeheizung genutzt, wodurch dieser Teil der Abwärmenutzung sogar der PUE zugerechnet werden kann. Natürlich gilt dies nur in den Wintermonaten. Die Temperatur des Vorlaufs in diesem Kühlsystem liegt bei 60°C, die des Rücklaufs bei 65°C. Die überschüssige Wärmeenergie wird zuletzt über Kühltürme auf dem Dach des Rechenzentrums an die Umgebung abgegeben.[11] 2.1.5. Energieverbrauch der Rechenzentren in Deutschland Ein weiterer wichtige Bestandteil der folgenden Überlegung ist der gesamte Energieverbrauch der Rechenzentren in Deutschland. Dieser ist seit dem Jahr 2010 mit 5,8 Mrd. kWh um etwa 75% auf 10 Mrd. kWh im Jahr 2020 gestiegen. Cloud-Computing, Blockchain sowie der durch Corona bedingte Anstieg an Homeoffice steigern stetig die Nachfrage nach leistungsfähigen Servern und damit den Neubau oder die Erweiterung von Rechenzentren.[12] 2.2. Abwärmenutzung Ein großer Teil der Abwärme industrieller Prozesse bleibt ungenutzt [13]. Die Herausforderung besteht darin, eine passende Wärmesenke für die Abwärme zu finden. Dass diese oft nicht gefunden wird, liegt in der Realität an den verschiedensten Gründen. Das Umweltbundesamt hat bereits 1996 einen umfassenden Forschungsbericht herausgegeben, welcher sich mit den Hemmnissen der Nutzung von Abwärme im Allgemeinen beschäftigt. Diese können technischer Natur sein und die Qualität der Abwärme betreffen, aber auch wirtschaftliche und organisatorische Hintergründe haben [14]. 2.2.1. Anergie und Exergie Zu einem besseren Verständnis zur Abwärmeerzeugung und -nutzung von IT-Infrastruktur ist eine Unterscheidung der Energie in die Begriffe Anergie und Exergie nötig. In einem abgeschlossenen System bleibt die Energie konstant. Dies besagt der erste Hauptsatz der Thermodynamik. In der Realität sind die meisten Systeme aber kaum als abgeschlossen zu betrachten. Sie interagieren meist in erheblichem Maß mit ihrer 8 Umwelt, so dass ihre eigene Energie nicht konstant bleibt. Betrachtet man im thermodynamischen Prozess allerdings das System gemeinsam mit der Umgebung, bleibt die Energie erhalten. Ein thermodynamisches Gleichgewicht von Umgebung und System bedingt, dass die gespeicherte Energie des Systems konstant bleibt. Arbeit wird gewonnen, indem ein System in das Gleichgewicht mit der Umgebung gebracht wird. Die maximale Energie, die durch das Erreichen des Gleichgewichts von System und Umwelt gewonnen wird, wird als Exergie bezeichnet. Die Exergie ist also die Arbeit, die das System verrichten kann, sozusagen die hochwertige Energie des Systems.[15] Es scheint naheliegend, dass Anergie als eine Art Gegenstück zur Exergie zu verstehen ist. Tatsächlich ist die Anergie der Teil der Energie des Systems, welches sich nicht in Exergie umwandeln lässt. Die Anergie ist also die nutzlose Energie. Wird einem System also Energie zugeführt, um Arbeit zu erzeugen, so muss der Anergie Anteil wieder abgeführt werden. Dies geschieht durch die Abgabe von Wärme an die Umgebung. Damit folgt auch, dass für irreversible Prozesse Exergie zumindest teilweise in Anergie umgewandelt wird.[16] Um diese Begriffe auf die Energie im Rechenzentrum beziehen zu können, müssen zusätzlich noch die Systemgrenzen bestimmt werden. Für die grundlegenden Überlegungen, die hier angestellt werden sollen, wird der Rechner als das System angenommen. Diesem wird Energie in Form von elektrischem Strom zugeführt, mit dem Ziel, Daten zu verarbeiten. Die dabei verrichtete Rechenleistung ist allerdings kein Energieträger, sodass sämtliche zugeführte Energie in Wärme umgewandelt und der Umwelt zugeführt wird. Ist das System auf den Rechner selbst beschränkt, wird also die gesamte Energie zu nicht weiter verwertbarer Anergie. Erweitert man die Systemgrenzen hingegen, so kann die freigesetzte Wärme zumindest teilweise als Exergie genutzt werden. Es gilt, je höher die Temperaturdifferenz zur Umwelt, umso höher der Exergie Anteil. Würde man so als System eine private Wohnung betrachten, in der ein Rechner steht, so trägt die Exergie der Wärme zur Heizung der Wohnung bei. Wird diese Wohnung dann auch noch mit Strom beheizt, so muss durch den Rechnerbetrieb weniger elektrische Energie der Heizung des Systems, also der Wohnung, zugeführt werden. Diese 9 Überlegung motiviert, dass zur Beantwortung der Frage, wieviel Energie durch Kühlsysteme eingespart werden kann, die Möglichkeiten der Abwärmenutzung miteinzubeziehen sind. In der Realität lässt sich allerdings die abgeführte Wärme nicht wie in dem einfachen Beispiel direkt nutzen. Eine direkte Einspeisung in das Fernwärmenetz wäre naheliegend, es muss allerdings untersucht werden, ob oder unter welchen Bedingungen dies geschehen kann. 2.2.2. Fernwärmenetz SWM Aktuell werden in München verschiedene Quellen zur Fernwärmeerzeugung verwendet. Zunächst sind dabei die Heizkraftwerke zu nennen. Die erzeugte Fernwärmeleistung der Heizkraftwerke Nord und Süd liegt dabei bei 1714 MW. Eine weitere, zunehmend erschlossene Quelle ist die Erdwärme oder Geothermie. München und das südliche Umland sind besonders geeignet, um hydrothermale Geothermie zu nutzen. Die gewonnene Fernwärmeleistung der Anlagen in Riem und Sauerlach liegt bei 13 MW, also bei weniger als einem Prozent der Fernwärmeleistung des SWM-Netzes.[17] Um die Zweckmäßigkeit eines Anschlusses der Abwärme von Rechenzentren an das Fernwärmenetz besser einordnen zu können, sind vor allem zwei Größen interessant. Die Temperatur des Vorlaufs im Fernwärmnetz sowie die Temperatur im Rücklauf. Ideal wäre es daher, wenn die Temperatur des Vorlaufs des Kühlsystems (TKV) dem Rücklauf der Fernwärme (TFR) und umgekehrt auch der Rücklauf des Kühlsystems (TKR) dem Vorlauf der Fernwärme (TFV) entspricht. Für die Größen TKR und TKV gibt die SWM eine Vorlauftemperatur von 90 °C und bei idealer Nutzung einen Rücklauf von 45 °C an. Des Weiteren finden auch Niedertemperaturnetze mit TKV=60 °C und TKR=35 °C Anwendung, wobei die Rücklauftemperatur höher ausfallen kann.[17] 3. Abschätzung der möglichen Energieeinsparung Ausgehend von den in Kapitel 2 gewonnen Erkenntnissen und Daten ist es nun möglich, die Forschungsfrage dieser Seminararbeit zu beantworten. Dabei ist allerdings zu berücksichtigen, dass hierfür sehr große Verallgemeinerungen und Vereinfachungen getroffen 10 werden. So soll angenommen werden, dass es möglich ist, sämtliche Rechenzentren in Deutschland mit einem PUE von 1,1 zu betreiben. Darüber hinaus wird angenommen, dass in der Nähe jedes Rechenzentrums ein Niedertemperaturnetz zur Fernwärme vorhanden ist, an welches nahezu verlustfrei das Hochtemperaturkühlsystem nach dem Vorbild des LRZ gekoppelt werden kann. 3.1. Maximale Energieeinsparung in Deutschland Es wird nun angenommen, dass eine durchschnittliche PUE von 1,63 auf 1,1 gesenkt werden kann. Für den Durchschnitt der PUE gilt das geometrische Mittel: π √∏ππ=1 πΈπ ππ πΈπ ππ πππΈ = √∏ πππΈπ = √∏ = πΈπΌππ π π=1 π=1 √∏ππ=1 πΈπΌππ π π π π Da der Energieverbrauch des IT-Equipments für diese Absenkung nicht reduziert wird, ebenso wenig wie die Anzahl der Rechenzentren, lässt sich die Gleichung umstellen: π √∏ππ=1 πΈπ π(ππππ)π πππΈππππ π π √∏ππ=1 πΈπ π(πππππ)π π = √∏ πΈπΌππ = πππΈπππππ π=1 Damit ergibt sich, dass das geometrische Mittel des idealen Energiebedarfs der Rechenzentren gleich dem realen geometrischen Mittel multipliziert mit dem Verhältnis von idealem PUE und realem PUE: π π √∏ πΈπ π(πππππ)π = π=1 πππΈπππππ πππΈππππ π π ∗ √∏ πΈπ π(ππππ)π π=1 Es gilt die Ungleichung von arithmetischen und geometrischen Mittel: π ∑ππ=1 ππ π ≥ √∏ ππ π π=1 11 Somit ergibt sich: π π √∏ πΈπ π(πππππ)π = π=1 πππΈπππππ πππΈππππ π π ∗ √∏ πΈπ π(ππππ)π π=1 πππΈπππππ ∑ππ=1 πΈπ π(ππππ)π ≤ ∗ π πππΈππππ Die Gesamtenergieaufnahme aller Rechenzentren lag bei 10 Mrd. kWh [12]: π ∑ πΈπ π(ππππ)π = 10 ∗ 109 ππβ π=1 Es folgt nun die Abschätzung der möglichen, durch effizientere Kühlung erreichten Einsparung an Energie in Rechenzentren in Deutschland: ∑ππ=1 πΈπ π(πππππ)π π π π ≥ √∏ πΈπ π(πππππ)π π=1 πππΈπππππ ∑ππ=1 πΈπ π(ππππ)π ≤ ∗ π πππΈππππ Die Gleichheit der Ungleichung von arithmetischen und geometrischen Mittel liegt nur dann vor, wenn alle ai=a sind. Da diese Arbeit an einem quantifizierten Ergebnis interessiert ist, soll überlegt werden, inwieweit dies zutreffen könnte. Die Anzahl der kleinen (101-500m²), mittleren (501-5000m²) und großen (über 5000m²) Rechenzentren lag im Jahr 2007 bei 1700 kleinen, 210 mittleren und 45 kleinen (=1955), im Jahr 2013 bei 2150, 280 und 70 (=2500) und 2017 bei 2500, 330, 90 (=2920). Liegen hier zwar nur drei Datenpunkte vor, so würde doch eine lineare Regression mit einem Bestimmtheitsmaß R2=99,84 einen Wert für das Jahr 2020 von etwa 3200 Rechenzentren liefern. Dabei nehmen die großen Rechenzentren am stärksten zu.[7] Die Leistungsaufnahme zwischen den verschiedenen Typen von Rechenzentren unterscheidet sich dabei erheblich. Damit ist das Ergebnis dieses Abschnitts sehr viel weniger aussagekräftig als erhofft. Dennoch wird es hier einmal angegeben, um zumindest eine sehr vage Größenordnung schätzen zu können. π ∑ πΈπ π(πππππ)π ≈ π=1 πππΈπππππ πππΈππππ π ∗ ∑ πΈπ π(ππππ)π = π=1 1,1 1010 ππβ = 6,748 ∗ 109 ππβ 1,63 12 Und damit ist die möglicherweise einsparbare Energie durch effiziente Kühlsystem: βπΈπππΈ ≈ 3,25 ∗ 109 ππβ Ein Zweipersonenhaushalt verbraucht im Jahr etwa 3500 kWh[18], womit sich mit der eingesparten Energie ungefähr 900000 solcher Haushalte im Jahr versorgen ließen. 3.2. Maximale Energierückgewinnung in Deutschland In diesem Teil der Arbeit wird nun versucht, das Potential der Abwärmenutzung von Rechenzentren zu ermitteln. Da die Überlegungen hierzu noch wesentlich mehr von realen, fallspezifischen Bedingungen abhängen, sind die folgenden Berechnungen nur als Hinweis zu verstehen, diesen Teil des Energiesparpotentials mit genaueren, spezifischeren Untersuchungen und Pilotprojekten besser zu erforschen. Um zu einem Ergebnis zu kommen, werden folgende Annahmen getroffen: a) Die gesamte Energie des IT-Equipments im Rechenzentrum wird vollständig in Wärme umgewandelt und zu 90% an den Kühlkreislauf abgegeben. b) Diese Wärme kann direkt, vergleichbar mit einem Niedrigtemperaturnetz an Verbraucher abgegeben werden. Die Effizienz für diesen Übertrag wird auf 50% gesetzt. c) In Deutschland wird genau 8 Monate im Jahr geheizt, wodurch sich ein Faktor von 2/3 ergibt. d) Die Leistungsaufnahme von Rechenzentren ist über das Jahr hinweg konstant. e) Das Gesamtergebnis wird, um weitere Energiekosten des Prozesses abzudecken, mit dem Faktor 0,3 multipliziert. Zu den fünf genannten Annahmen sollen noch einige Anmerkungen gemacht werden, um deren Plausibilität zu erhöhen. 13 Zu a) Für das Kühlsystem des LRZ wird ein Wärmeübertrag von 90% an das Warmwasser angegeben.[11] Zu b) Hier wird die schlechteste Effizienz des Fernwärmenetzes der SWM angenommen. [17] Zu c) Dabei wird die Durchschnittstemperatur bei einem monatlichen Durchschnitt von unter 15°C als Grenzwert betrachtet.[19] Zu d) Diese Annahme ist natürlich nicht wahr, tatsächlich steigt der Energiebedarf der Kühlung bei einer Erhöhung der Umgebungstemperatur.[5][9] Zu e) Dieser Faktor ist vollkommen willkürlich gewählt, da aber die meisten anderen Annahmen das Ergebnis verbessern, soll zumindest in irgendeiner Form diesen Beschönigungen Rechnung getragen werden. Der Energieaufwand von Wärmepumpen, die Energiekosten für die Errichtung der nötigen Infrastruktur sowie Verluste bei der Wärmeleitung können nicht einfach ignoriert werden. Eine präzise Einordnung ist allgemein nicht möglich, zu viele fallspezifische Randbedingungen fließen hier ein. Zunächst muss also der Energiebedarf des IT-Equipments abgeschätzt werden: π ∑ πΈπ π(ππππ)π = 10 ∗ 109 ππβ π=1 Gesucht ist allerdings nicht ∑ERZ sondern ∑EIT. Wie bereits in Kapitel 3.1 gesehen, kann eigentlich nicht mit der durchschnittlichen PLU auf einfache Weise die gesuchte Größe berechnet werden. Dennoch wird hier angenommen: π ∑ πΈπΌππ π=1 ∑ππ=1 πΈπ ππ 10 ∗ 109 ππβ ≈ = = 6,13 ∗ 109 ππβ Μ Μ Μ Μ Μ Μ 1,63 πππΈ Die anderen Bedingungen können als einfache Faktoren berücksichtigt werden: π βπΈπ΄ππ€äπππ ≈ π ∗ π ∗ π ∗ π ∗ π ∗ ∑ πΈπΌππ π = 0,9 ∗ 0,5 ∗ 2⁄3 ∗ 1 ∗ 0,3 ∗ ∑ πΈπΌππ π=1 Damit ergibt sich als finale Abschätzung: βπΈπ΄ππ€äπππ ≈ 5,5 ∗ 107 ππβ π=1 14 Dieser Wert ist überraschend klein. Zum einen macht er gerade mal 1,7% des Wertes aus Kapitel 3.1 aus. Zudem ist elektrische Energie wertvoller als Wärmeenergie. Auch ein Vergleich mit der Jahresleistung einer Geothermie-Anlage der SWM in Riem mit ungefähr 7,9 *107 kWh ist zwar in der gleichen Größenordnung, aber die Energierückgewinnung bezieht sich auf ganz Deutschland, die Geothermie-Anlage versorgt dabei nur NeuRiem. Für einen Zweipersonenhaushalt kann eine jährliche Energieaufnahme der Heizung von durchschnittlich 2,25*103 kWh[17] angenommen werden. Damit könnten also etwa 24400 Wohnungen beheizen. 4. Praxisbezug Diese Arbeit soll nicht nur theoretische Möglichkeiten erörtern, sondern auch einen direkten Bezug zur Praxis herstellen. Zunächst wird das bereits erwähnte Projekt CleanTech-Campus Garching vorgestellt und im Anschluss die Optionen erörtert, dieses Konzept auf das große Projekt SEM-Nord-Ost zu übertragen. 4.1. Clean-Tech-Campus In diesem Projekt soll die Entwicklung eines nachhaltigen und innovativen Energiekonzepts erfolgen. Die Abwärmenutzung der LRZ ist dabei nur ein kleiner Bestandteil der vielschichtigen Ansätze, sinnvoll Energie einzusparen und mit erneuerbaren Energien zu versorgen. Drei Säulen sollen dabei die Energieversorgung des Campus ermöglichen. Die erste ist, wirtschaftliche, moderne Technologien zur Grundversorgen mit Wärme, Kälte und Strom anzuwenden. Die zweite beruht auf der Ergänzung dieser Versorgung mit marktreifen Schwellentechnologien und die dritte schafft flexible Andockmöglichkeiten an ein neues SmartEnergyGrid. Dieses Projekt ist als Vorbild für die Zukunft moderner Mischgebiete konzipiert und soll zudem als Labor für neue Ansätze und Methoden dienen. [21][22] 4.2. SEM-Nord-Ost Der Münchner Nordosten ist, trotz der Nähe zum Stadtzentrum, noch mit sehr vielen landwirtschaftlichen Flächen belegt. Besonders vor dem Hintergrund des 15 Wohnungsmangels und der steigenden Mieten möchte die Landeshauptstadt München mit Hilfe der sogenannten städtebaulichen Entwicklungsmaßnahme diese insgesamt 600 Hektar große Fläche erschließen. Bis zu 30000 Einwohner und ungefähr 10000 Arbeitsplätze sollen hier in den nächsten zehn Jahren entstehen. Die Stadt gibt dabei eine ganze Liste an ambitionierten Zielen vor: klimaneutral, ökologisch, viel öffentlicher Raum für Fußgänger und Radfahrer, generationengerecht, familienfreundlich, lebendig, bunt und sozial soll der neue Stadtteil Münchens werden.[23] Es würde sich hier die Möglichkeit bieten, die Erkenntnisse des Clean-Tech-Campus auf ein neu angelegtes, großes Mischgebiet zu übertragen. Eine solche Kooperation aus Forschung, Wirtschaft und Politik wäre ein bedeutender Schritt, um München und Deutschland also Vorbild moderner urbaner Gestaltung zu präsentieren. 5. Fazit Mit dieser Seminararbeit sollte die Frage beantwortet werden, wieviel Energie sich durch den Einsatz innovativer Kühlsystem einsparen lässt. Dabei stützt sich diese Arbeit primär auf eine Auswertung der vorhandenen Literatur und im Internet verfügbaren Angaben zu Technologien und praktischen Beispielen. Schnell zeigte sich, dass die zwei Teile des Energieeinsparpotentials sehr unterschiedlich bearbeitet wurden. Während es sehr viele Anwendungen und Studien zur Reduktion des Energieverbrauchs von Rechenzentren mithilfe moderner, effizienter Techniken gibt, ist der Forschungsstand zur Restwärmenutzung vergleichsweise wenig ausgebaut. Dies mag zum einen darin begründet sein, dass die größte Menge der Abwärme in den Sommermonaten erzeugt wird und genau in dieser Jahreszeit der Bedarf an Wärme gering ausfällt. Mittels Absorptionskältemaschinen kann diese Abwärme auch zur Kühlung genutzt werden, wie es das Praxisbeispiel des Projekts Clean-Tech-Campus umsetzt. Dies wurde aber in dieser Arbeit nicht berücksichtigt. Die komplexeren Vorgänge, erheblicheren infrastrukturellen Anforderungen gemeinsam mit der geringen Ausbeute an Energie sind wahrscheinlich aber der wichtigste Grund dafür, dass es bisher ein geringeres Interesse an der Abwärmenutzung von Rechenzentren gibt. Geothermie oder auf höherem Temperaturniveau liegende Industrieabwärme stehen bei der Forschung in diesem Bereich eher im Zentrum. Dennoch sollte für 16 größere Neubauprojekte wie dem SEM-Nord-Ost eine Kooperation mit Tech-Firmen angestrebt werden. So kann zum einen die Umweltbilanz verbessert und die laufenden Kosten eines solchen Gebiets gesenkt, zum anderen durch denkbare staatliche Förderungen ein Standort wie München noch attraktiver zum Errichten zukunftsweisender Rechenzentren werden. Für den naheliegenden Teil der Arbeit, der direkten Reduzierung der zum Betrieb nötigen elektrischen Energiezufuhr, gibt es zahlreiche durchentwickelte Lösungen. Diese finden vermutlich aus bereits rein wirtschaftlichen Gründen breite Anwendung bei vielen modernen Rechenzentren. Interessant wäre hier eine auf genaueren Daten beruhende Berechnung des Energiesparpotentials bei flächendeckender Forderung eines niedrigen PUE Wertes. Wie in Kapitel 4 dargelegt, wäre eine Anwendung des Beispiels Clean-Tech-Campus und LRZ ein spannendes Projekt für die Landeshauptstadt München. Es würde eine nachhaltige, umweltbewusste Politik widerspiegeln, die den Standort München sowohl für die Wirtschaft als auch für Bürger attraktiver machen könnte. Dabei können auch Ideen und Ressourcen der jungen Menschen in München, die sich bereits mit solchen Themen beispielsweise an LMU und TUM beschäftigen, eine Möglichkeit finden, diese in einem großen, praktischen Projekt zu realisieren. Eines scheint sicher, die Zukunft einer Stadt wie München liegt in einem digitalen, ökologischen und sozialen Gesamtkonzept, welches noch erarbeitet werden muss. 17 6. Literaturverzeichnis [1] K. Müller, “Isar Valley: 5 Gründe, warum München Deutschlands neue Tech-Hochburg ist“, 2021. [Online]. Verfügbar unter: https://www.focus.de/finanzen/news/unternehmen/apple-ibm-und-google-isar-valley-5-gruende-warummuenchen-gerade-andere-staedte-als-tech-standort-abhaengt_id_13256380.html [2] Ingengieur.de, “Isar Valley: Hier sitzen die digitalen Firmen in Deutschland“, 2020. [Online]. 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Ich erkläre mich nicht damit einverstanden, dass die Arbeit der Öffentlichkeit zugänglich gemacht wird. Ich erkläre mich damit einverstanden, dass die Digitalversion dieser Arbeit zwecks Plagiatsprüfung auf die Server externer Anbieter hochgeladen werden darf. Die Plagiatsprüfung stellt keine Zurverfügungstellung für die Öffentlichkeit dar. München, der 21. Januar 2022 Severin Benz