Fernwärmeangetriebene Absorptionskälteanlagen zur Klimatisierung von Rechenzentren. Eine Studie im Auftrag des Bundesministeriums des Inneren

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1 Fernwärmeangetriebene Absorptionskälteanlagen zur Klimatisierung von Rechenzentren Eine Studie im Auftrag des Bundesministeriums des Inneren

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3 Eine Studie der Technischen Universität Berlin im Auftrag des Bundesministeriums des Inneren von: Dipl.-Wi.-Ing. Wolfgang Lanser unter Mitwirkung von: Dipl.-Ing. Christopher Paitazoglou M.Sc. Sarah Hunt Prof. Dr.-Ing. Felix Ziegler mit Unterstützung von: Christian Sittek (BMI) Franz Weprajetzky (BMI) Berlin, November 2012

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5 Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis... I Abbildungsverzeichnis... II Tabellenverzeichnis... III I. Einleitung Hintergrund und Motivation der Studie Begriffserklärungen... 2 a) Kraft-Wärme-Kopplung:... 2 b) Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung... 4 c) Absorptionskälteanlagen... 4 II. III. Qualifizierung und Quantifizierung der Einsparpotentiale von KWKK, welche die Klimatisierung von Rechenzentren mittels Fernwärme ermöglicht Qualifizierung Quantifizierung a) Definition der Methodik zur Bestimmung des Einsparpotentials b) Das Einsparpotential in der Kategorie Großrechenzentren: c) Das Einsparpotential in der Kategorie kleinste bis mittlere RZ: d) Schlussfolgerung zur Quantifizierung der Einsparpotentiale: Analyse von Ansätzen, wie thermisch angetriebene Klimatisierung auf den derzeit gängigsten Kennwert für Energieeffizienz eines Rechenzentrums ( PUE-Wert) angerechnet werden kann Methodik: Energetische Bewertung Methodik: Exergetische Betrachtung Methodik: Primärenergetische Bewertung Methode: Ökologische Bewertung anhand von CO2-Emissionen Methode: Ökonomische Bewertung anhand von spezifischen Kosten Auswirkungen der vorgestellten Methoden auf den PUE eines Referenzrechenzentrums: Empfehlung der geeigneten Methodik:... 45

6 IV. Entwicklung eines wissenschaftlichen Ansatzes, der als zukünftiger Standard zur Bestimmung der Energieeffizienz eines Rechenzentrums empfohlen werden kann Die Berechnung des Exergieanteils eines Wärmestroms a) Typische Umgebungstemperatur beim Betrieb der Absorptionskälteanlage b) Bandbreite der Fernwärmetemperaturen und Bestimmung eines charakteristischen Temperaturniveaus im Kälteanlagenbetrieb eines Rechenzentrums Beispielrechnungen für Wärme-Bewertungsfaktoren Sonderfall: Exergiegehalt von Fernwärme-Dampfnetzen V. Integration der Methode in die Handreichung zur Durchführung von Energieverbrauchsmessungen in der Bundesverwaltung VI. Demonstration der Plausibilität und Übertragbarkeit der Methodik anhand eines Referenzrechenzentrums der Bundesverwaltung Berechnung des durchschnittlichen PUE für das Kalenderjahr 2010: Einfluss der Wärmerückgewinnung auf den PUE a) Wärmerückgewinnung an einer Kompressionskälteanlage b) Restwärmenutzung des Kondensats, welches die Absorptionskälteanlage verlässt VII. Literatur- und Quellenverzeichnis: Anhang A: Anhang B:... 78

7 Abkürzungsverzeichnis AKA COP DIN DWD EEG el FVU FW F&E GWh IT IZE KKA kw kwh KWK KWKK LiBr PUE RZ th TRY TU TWh UKG USV Absorptionskälteanlage(n) Coeffizient of Performance: Wärmeverhältnis einer Absorptionskälteanlage Deutsche Industrie Norm Deutscher Wetterdienst Erneuerbare-Energien-Gesetz elektrisch Fernwärmeversorgungsunternehmen Fernwärme Forschung und Entwicklung Gigawattstunde(n) Informationstechnik Innovationszentrums Energie der Technischen Universität Berlin Kompressionskälteanlage(n) Kilowatt Kilowattstunde(n) Kraft-Wärme-Kopplung Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung Lithiumbromid-Lösung Power Usage Effectiveness Rechenzentrum(en) thermisch Testreferenzjahre des Deutschen Wetterdienstes Technischen Universität Terawattstunde (= eine Milliarde Kilowattstunden) Umluftklimageräte Unterbrechungsfreie Stromversorgung I

8 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Funktionsschema einer einstufigen Absorptionskälteanlage... 5 Abbildung 2: Jahresgang der Wärmelieferung (monatliche Wärmelieferung) H/H max typischer Fernwärmenetze, normiert auf den jeweiligen Jahreshöchstwert, Quelle: [SCHW98]... 8 Abbildung 3: Stromerzeugung allgemeine Versorger und KWK-Anteil Abbildung 4: Anteil der Rechenzentren am Gesamtenergiebedarf der IT der Bundesverwaltung Abbildung 5: Kategorisierung der Rechenzentrumstypen Abbildung 6: Kategorisierung Rechenzentrumstypen anhand der Kühllast Abbildung 7: Verteilung der Server nach Größenklasse eines Rechenzentrums für die Potentialanalyse Abbildung 8: Berechnungsmethodik zur Bestimmung des Einsparpotentials der Großrechenzentren Abbildung 9: Berechnungsmethodik zur Bestimmung des Einsparpotentials kleinster und mittlerer RZ Abbildung 10: Energieströme in und aus einem Rechenzentrum Abbildung 11: Energieflüsse von elektrisch und thermisch angetriebener Kühlung Abbildung 12: Exergieanteil der Wärme Abbildung 13: Energieflussbild Kompressions- vs. Absorptionskälteanlage Abbildung 14: Primärenergiefaktoren einiger ausgewählter Fernwärmenetze, Quelle: AGFW Abbildung 15: Resultierende PUE-Spannen bei Anwendung der fünf Methoden auf ein Referenzrechenzentrum Abbildung 16: Temperatur, bis zu der Freie Kühlung in dt. RZ betrieben wird Abbildung 17: Jahresdauerlinien der Umgebungstemperatur für 15 Klimaregionen Deutschlands II

9 Abbildung 18: Vorlauftemperatur von 9 Fernwärmeversorgungsunternehmen Abbildung 19: Wärmenetzeinspeisung in Städten der größten FVU Abbildung 20: Wärmeströme und Wärmeverhältnis (COP) einer AKA Abbildung 21: Wärme-Bewertungsfaktoren in Abhängigkeit von der Fernwärme-Vorlauftemperatur Abbildung 22: Exergiegehalt (Carnot-Wirkungsgrad) von Ferndampfnetzen Abbildung 23: Carnotfaktor von Fernwärme-Dampfnetzen Abbildung 24: PUE-Werte von Rechenzentren in Deutschland, den Niederlanden und der USA, Quelle: IZE Abbildung 25: Leistungszahlen von Kompressionskälteanlagen und Wärmerückgewinnung Abbildung 26: Wichtungsfaktoren der BITKOM, Quelle BITKOM Abbildung 27: KWK-Anteil der Fernwärme in Europa, Quelle: AGFW Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Jährliche Energiebilanz des Rechenzentrums Tabelle 2: Energie und Stromäquivalent von 4.440m³ Fernwärmekondensat III

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11 I. Einleitung 1. Hintergrund und Motivation der Studie Die moderne Informationstechnik (IT) nimmt in unserem Leben einen großen und stetig wachsenden Stellenwert ein. Sie ist in nahezu allen Bereichen der täglichen Arbeit unverzichtbar und bereichert und erleichtert unser Privatleben mit Unterhaltung, Wissen und Komfort. Dieser wachsende Einsatz der IT ging in der Vergangenheit mit einem stark steigenden Energiebedarf einher. Laut Schätzungen des Innovationszentrums Energie (IZE) der Technischen Universität Berlin stieg der Strombedarf deutscher Rechenzentren im Zeitraum von 1988 bis 2008 auf 8 TWh pro Jahr und verfünffachte sich somit nahezu. Dies entspricht in etwa der Jahresstromproduktion eines großen Kohle- oder Kernkraftwerkes. Diese Zahlen verdeutlichen eindrucksvoll, dass die Steigerung der Energieeffizienz in der IT einen hohen Stellenwert beim Klimaschutz einnehmen kann [IZE08]. Diese Studie ist durch einen Beschluss des Rates der IT-Beauftragten (IT-Rat) motiviert. Dieser hat sich zum Ziel gesetzt, den durch die IT in der Bundesverwaltung verursachten Energieverbrauch bis zum Jahr 2013 um 40 Prozent zu reduzieren 1. Die Bundesverwaltung übernimmt mit dieser Vorgabe eine Vorreiterfunktion im Bereich Green-IT. Rund die Hälfte des IT-Energiebedarfs in der Bundesverwaltung fällt derzeit dezentral bei den Arbeitsplätzen der Mitarbeiter an. Die andere Hälfte wird in zentralen IT-Einheiten, wie den Rechenzentren benötigt [RITB08]. Eine Verbesserung der Energieeffizienz der Rechenzentren kann daher maßgeblich zur Umsetzung des Ziels des Rates der IT-Beauftragten beitragen. Einen wichtigen Beitrag könnte der Einsatz von Absorptionskälteanlagen in Rechenzentren leisten, wenn diese mit Hilfe von Abwärme aus hocheffizienten Kraft-Wärme-Kopplungs- (KWK) Prozessen angetrieben würden. Dies hätte einen stark verringerten Strombedarf für die üblicherweise in Rechenzentren vorhandenen Kompressionskälteanlagen zur Folge. Abwärme aus effizienten KWK-Prozessen steht über die Fernwärmenetze insbesondere in den Sommermonaten zur Verfügung, wenn keine Energie zur Beheizung von Gebäuden benötigt wird. Hocheffiziente KWK-Anlagen können dann aufgrund 1 Die 40% beziehen sich auf den Energiebedarf im Jahr mit dem höchsten Verbrauch vor

12 mangelnder Wärmeabnahme oftmals nur mit geringer Auslastung zur Stromproduktion eingesetzt werden. Daher ist ein Schwerpunkt der vorliegenden Studie abzuschätzen, in wieweit der Einsatz von Absorptionskälte zur Klimatisierung der Rechenzentren der Bundesverwaltung zum oben genannten Einsparziel beitragen kann. In einem weiteren Schwerpunkt der Studie wird eine Methodik entwickelt, wie Absorptionskälte einsetzende Rechenzentren ihre Energieeffizienz mit anderen Rechenzentren vergleichen können. 2. Begriffserklärungen Die in dieser Studie besonders relevanten Begriffe werden im Folgenden definiert und ihr Bezug zum Thema beschrieben: a) Kraft-Wärme-Kopplung: Der Begriff Kraft-Wärme-Kopplung (im Folgenden KWK) beschreibt die gleichzeitige gekoppelte Umwandlung eingesetzter Primärenergie in elektrische Energie und Nutzwärme [KWKG02]. Bei der separaten Erzeugung von elektrischer Energie aus fossilen Brennstoffen entsteht unvermeidbare Abwärme, die an die Umgebung abgegeben werden muss. Kann diese Abwärme auf einem geeigneten Temperaturniveau einer weiteren Nutzung zugeführt werden, und überwiegt dieser Gewinn an Nutzwärme möglichen Einbußen in der Stromausbeute, dann ist KWK energetisch vorteilhaft. Die politischen Ziele der Bundesregierung bezüglich KWK Mit dem Integrierten Energie- und Klimaprogramm der Bundesregierung vom wurde das politische Ziel festgesetzt, den Anteil der Stromproduktion durch Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen an der Gesamtstromproduktion ausgehend von ca. 12 % bis zum Jahr 2020 auf etwa 25 % zu verdoppeln. Dies wurde auch im 1 des KWK-Gesetzes verankert. Die Kraft-Wärme-Kopplung soll damit einen entscheidenden Beitrag dazu leisten, Brennstoffe effizienter einzusetzen und damit dem Klimaschutzziel näher zu kommen, bis zum Jahr 2020 die in Deutschland emittierten Treibhausgase im Vergleich zum Bezugsjahr 1990 um 40% zu reduzieren [IEKP07] Hocheffiziente KWK-Anlagen zu fördern wird nicht nur in Deutschland, sondern in der gesamten Europäischen Gemeinschaft als Ziel verfolgt, da in einigen Ländern 2

13 nach wie vor sehr großes ungenutztes Potential für den Ausbau von KWK vorhanden ist. Während beispielsweise Dänemark fast die Hälfte seines Strombedarfs über KWK-Kraftwerke deckt, waren es im Jahr 2009 in Frankreich lediglich 4,3%. Deutschland liegt im selben Jahr mit 13% leicht über dem EU-27 Durchschnitt von 11,4% [EUST12]. Die entsprechende Richtlinie 2004/8/EG des Europäischen Parlaments verweist dabei nicht nur auf den Klimaschutznutzen durch direkt eingesparte Primärenergie aufgrund besserer Brennstoffausnutzung, sondern auch auf die vermiedenen elektrischen Netzverluste, da KWK-Anlagen in der Regel näher zum Ort der Elektrizitätsnachfrage stehen und somit weniger Elektrizität über weite Strecken verteilt werden muss [EKWK04,RZFM09]. Wirkungsgrad der KWK Werden die Energiemengen der beiden Produkte Wärme und Strom ungeachtet ihrer stark unterschiedlichen Qualität 2 aufsummiert, so ist eine Ausnutzung von ca. 90% der eingesetzten Energie erreichbar. Diese Kennzahl wird als Gesamtwirkungs- oder auch Gesamtnutzungsgrad der KWK bezeichnet. Ob dieser Wirkungsgrad nun gut oder schlecht ist, sei an dieser Stelle dahingestellt, denn der Verglich zur ungekoppelten Strom- und Nutzwärmeerzeugung gestaltet sich schwierig: Klassische Systeme zur Erzeugung von Elektrizität, Nutzwärme oder Kälte (wie z.b. Kraftwerke, Heizkessel und elektrisch betriebene Kompressionskälteanlagen) lassen einen Vergleich untereinander zu. Da sie nur ein Produkt liefern, kann aus dem Verhältnis von Nutzen zu Aufwand ein eindeutiger Wirkungsgrad oder eine Leistungszahl gebildet werden. Eine vergleichende Bewertung ist dann möglich und auch unkompliziert, da alle benötigten Ausgangsstoffe eindeutig wegen des einen Produktes aufgewendet werden und somit der kausale Zusammenhang zwischen Aufwand und Nutzen gegeben ist. Werden allerdings zwei Produkte aus einem Einsatzstoff erstellt, wie dies bei der KWK der Fall ist, so können mehrere Wirkungsgrade angegeben werden. Die Zuordnung der Anteile der Edukte 3 zu den jeweiligen Produkten ist dann aber nicht mehr eindeutig. Werden alle Nutzprodukte aufsummiert und zum Aufwand ins Verhältnis gesetzt, wie bei dem oben angesprochenen Gesamtwirkungsgrad der KWK, so ist in diesem Kennwert die Information, wie die unterschiedlichen Produkte im Verhältnis zueinander bewertet werden, nicht mehr sichtbar. Aufgrund dieser Bewertung kann der Kennwert nicht mehr ohne Angabe weiterer 2 Obwohl Wärme und Strom dieselben physikalischen Einheiten besitzen (z.b. kwh) ist ihre Qualität stark unterschiedlich ist. Strom ist eine Edelenergie, wohingegen die Qualität der Wärme von ihrem Temperaturniveau abhängt. 3 Edukt: Ausgangsmaterial, welches für die Strom- bzw. Wärmeerzeugung eingesetzt wird 3

14 Zusatzinformationen mit dem eines einfachen Umwandlungssystems verglichen werden. Als Beispiel sei aufgeführt, dass der Gesamtwirkungsgrad modernster KWK- Anlagen (ηη GGGGGGGGGGGG 90%) schlechter als der (thermische) Wirkungsgrad moderner Heizkessels (ηη 100%) ist. Andererseits weisen selbst ineffizientere KWK- Anlagen noch einen besseren Gesamtwirkungsgrad (z.b. ηη GGGGGGGGGGGG 70%) auf, als der elektrische Wirkungsgrad eines hochmodernen GuD-Kraftwerkes sein kann (ηη GGGGGG,eeee. 60%). Die Ursache hierfür liegt in der Bewertung der beiden Produkte Strom und Wärme. Obwohl eine Energieeinheit Wärme physikalisch gesehen weitaus weniger wertvoll ist als eine elektrische Energieeinheit, so werden diese beiden Nutzen in obiger Berechnung der Wirkungsgrade aufsummiert. Davon profitieren Umwandlungssysteme, die einen größeren Anteil der überbewerteten Wärme erzeugen. b) Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung Die gleichzeitige Erzeugung von Wärme und Strom ist immer darauf angewiesen, dass eine Wärmenachfrage vorhanden ist. Dies ist meist nur in der kalten Jahreszeit gegeben, weshalb sich das volle Einsatz- und Einsparpotential der KWK in der Regel auf die Wintermonate begrenzt. Wird die im KWK-Prozess anfallende Wärme auch zur Kälteerzeugung genutzt, so spricht man von Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (im Folgenden KWKK). Die Nutzung von Abwärme zur Kälteerzeugung ist durch den Einsatz von thermisch angetriebenen Kälteanlagen, wie beispielsweise Absorptionskälteanlagen möglich. Da der Kältebedarf in der Regel dann groß ist, wenn kein Wärmebedarf besteht, können diese Kälteanlagen dazu beitragen, die saisonalen Schwankungen der Wärmenachfrage von KWK auszugleichen. Die Bedeutung von KWKK wächst ständig, da dank moderner Wärmedämmung der Wärmebedarf um bis zu 2% jährlich abnimmt, die Nachfrage an Kälte jedoch weltweit aufgrund steigender interner Wärmelasten oder moderner Glasfassaden ständig zunimmt [KWKFW10]. c) Absorptionskälteanlagen Bei Absorptionskälteanlagen (siehe Abbildung 1) werden wie bei Kompressionskälteanlagen die druckabhängigen Siede- und Taupunkttemperaturen eines Kältemittels zur Kälteerzeugung ausgenutzt: Bei höherem Druck findet der Phasenübergang (Kondensation) bei größeren 4

15 Temperaturen statt (Wärmeabgabe an die Umgebung). Bei niedrigeren Drücken erfolgt der Phasenübergang (Verdampfung) bei kleineren Temperaturen. Die zur Verdampfung erforderliche Verdampfungsenergie wird z.b. dem Wasser eines Kaltwasserkreises entzogen, mit dem ein Rechenzentrum gekühlt wird. Im Falle der Kompressionskälteanlage wird zur Druckerhöhung des dampfförmigen Kältemittels auf das Kondensationsniveau ein meist elektrisch angetriebener Verdichter eingesetzt. Bei Sorptionskälteanlagen wird dazu ein zweiter Arbeitsmittelkreislauf (Lösungskreislauf) genutzt. Der bei der Verdampfung entstandene Kältemitteldampf wird im Absorber durch das konzentrierte Lösungsmittel aufgenommen (absorbiert oder "verflüssigt"), wobei die entstehende Wärme durch Kühlwasser abgeführt wird. Abwärme K G Antriebswärme Nutzkälte V A Abwärme V Verdampfer Kältemittel A Absorber kältemittelarme Lösung G Generator kältemittelreiche Lösung K Kondensator Abbildung 1: Funktionsschema einer einstufigen Absorptionskälteanlage Aufgrund des kleineren spezifischen Volumens des Kältemittels in der verdünnten Lösung kann dieses unter vernachlässigbar geringem elektrischem Energieaufwand mit der Lösungspumpe auf den erforderlichen höheren Druck gebracht werden. Somit entfällt der zur Kompression erforderliche elektrische Energiebedarf nahezu vollständig. 5

16 Durch die Zufuhr von solar erzeugter Antriebswärme, Abwärme eines Blockheizkraftwerkes oder Fernwärme mit einer Temperatur von C 4 wird der Kältemitteldampf im Generator wieder aus der Lösung ausgetrieben. Danach entspricht der Kältemittelkreislauf wieder dem der Kompressionskälteanlage. Im Kondensator wird der Kältemitteldampf durch zugeführtes Kühlwasser bei ca C verflüssigt. Die hierbei entstehende Wärme wird ebenfalls über das Kühlwasser abgeführt. Das verflüssigte Kältemittel kann anschließend im Verdampfer bei ca C 5 erneut verdampft werden und Kälte produzieren. Mit Wasser als Kältemittel hat sich das Stoffgemisch Wasser/wässrige Lithiumbromid-Lösung (LiBr) bei Absorptionskälteanlagen in der Klimatisierung durchgesetzt. Dies beruht auf sehr guten thermodynamischen, kalorischen und physikalischen Eigenschaften, dem Faktor der Ungiftigkeit und der unkritischen physiologischen Einwirkungen auf den Menschen sowohl für das Kältemittel Wasser, wie auch für die als Lösungsmittel eingesetzte wässrige Lithiumbromid- Lösung. 4 Diese Temperaturangabe bezieht sich auf einstufige Absorptionskälteanlagen 5 Die Angaben der Temperaturen beziehen sich auf einstufige Absorptionskälteanlagen, die zur Gebäudeklimatisierung eingesetzt werden. 6

17 II. Qualifizierung und Quantifizierung der Einsparpotentiale von KWKK, welche die Klimatisierung von Rechenzentren mittels Fernwärme ermöglicht. 1. Qualifizierung Sowohl für die Fernwärmeversorger als auch für die Rechenzentrumsbetreiber können sich durch den Einsatz von KWKK energetische und wirtschaftliche Einsparpotentiale erschließen, wobei die offensichtlichen Potentiale zunächst einmal seitens der Energieversorger liegen: Die Substitution von elektrischem Strom durch Abwärme zum Antrieb der Kälteanlagen im Sommer kann KWKK dazu beitragen, die Fernwärmenetze und damit auch die hocheffizienten Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK) der Energieversorger ganzjährig besser auszulasten und den KWK-Anteil der Stromproduktion gemäß den Zielen der Bundesregierung zu steigern. Insbesondere Rechenzentren bieten sich als besonders geeignete Wärmeabnehmer an. Sie zeichnen sich in der Regel durch einen großen Klimatisierungsbedarf aus und liegen oftmals in zentraler Lage mit guten Anbindungsmöglichkeiten an die Fernwärmenetze. Durch die relativ konstante Kühllast im Sommer in Verbindung mit der freien Kühlung im Winter ist deren Wärmebedarf durch den Einsatz von thermisch angetriebenen Kälteanlagen gut vorhersehbar und gegenläufig zum Wärmebedarf der typischen Wärmenutzer eines Fernwärmenetzes. Üblicherweise besitzen Fernwärmenetze während der Sommermonate aufgrund des nicht vorhandenen Heizwärmebedarfs eine sehr geringe Auslastung (siehe Abbildung 2). Im Vergleich zu den Wintermonaten (Dezember bis Februar) liegt diese sowohl bei der monatlichen Spitzenlast wie auch bei der monatlich gelieferten Wärmemenge oft unter 20%! Sofern Rechenzentren im Sommer durch Absorptionskälteanlagen und im Winter durch Freikühlung klimatisiert werden, sind die Netzkapazitäten der Fernwärme wie auch die Kapazitäten an KWK-Anlagen also bereits vorhanden. Die grundsätzlich energiesparende Methode der Freikühlung und die Kühlung mit thermischem Antrieb stehen hier also nicht im Wettbewerb, sondern ergänzen sich. 7

18 Abbildung 2: Jahresgang der Wärmelieferung (monatliche Wärmelieferung) H/H max typischer Fernwärmenetze, normiert auf den jeweiligen Jahreshöchstwert, Quelle: [SCHW98] Die geringe Nachfrage der Fernwärme im Sommer hat auch Auswirkungen auf die Stromerzeugung. Per Definition gilt Strom aus einer KWK-Anlage nur dann als KWK-Strom, wenn eine gleichzeitige Nutzung der Abwärme stattfindet. Einige KWK-Anlagen sind in ihrem Betrieb ohnehin auf die gleichzeitige Wärmenachfrage angewiesen und können ohne die Einspeisung ihrer Abwärme in das Fernwärmenetz nicht betrieben werden (sogenannte Gegendruckheizkraftwerke). Dass KWK-Kapazitäten während der Sommermonate ungenutzt vorhanden sind, zeigt Abbildung 3, die von Januar 2003 bis Dezember 2009 sowohl die monatliche Stromerzeugung der allgemeinen Versorger (in schwarz durchgezogen), wie auch deren prozentualen Anteil an KWK-Strom (in rot gestrichelt) darstellt. In den Wintermonaten liegen die maximal erzeugten Strommengen bei ca. 50 GWh und der Anteil des KWK-Stroms bei bis zu 16%. Obwohl sich die absolute Stromerzeugung in den Sommermonaten auf ca. 40 GWh verringert, beträgt hier der KWK-Anteil der Stromproduktion meist nur 6 bis 8 %. Dies zeigt, dass im Sommer große KWK-Kapazitäten zur gekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung brachliegen, da sie mangels Wärmenachfrage nicht genutzt werden können. 8

19 Abbildung 3: Stromerzeugung allgemeine Versorger und KWK-Anteil Erschließt sich jedoch durch den verstärkten Einsatz von KWKK ein neuer Wärmeabsatz in den Sommermonaten, so wird durch die KWK-Anlagen neben der Wärmemenge auch eine Strommenge produziert. Diese substituiert eine anderweitig produzierte Strommenge in gleicher Größenordnung, da ja nur diejenige Strommenge produziert wird, die auch zeitgleich nachgefragt wird. Diese Substitution kann zusammen mit der Verringerung des Strombedarfs durch den Einsatz der AKA zu Einsparungen an Primärenergie und CO 2 -Emissionen, sowie zu ökonomischen Einsparungen führen. In wieweit Primärenergie eingespart werden kann, hängt von den Wirkungsgraden (elektrisch, wie auch thermisch) der KWK-Anlagen und den verdrängten Kraftwerkstypen ab. Hier lässt sich keine allgemeingültige Aussage treffen, da dies stark vom Kraftwerkspark des Versorgers abhängig ist. Tendenziell besitzen große moderne KWK-Anlagen (GuD-Kraftwerke auf Erdgasbasis) jedoch elektrische Wirkungsgrade, die ähnlich denen der verdrängten Kraftwerken sind, so dass die zusätzliche Wärme primärenergetisch neutral produziert werden kann. Das Vermeidungspotential an umweltschädlichen Treibhausgasemissionen beruht vor allem darauf, dass bislang der durch KWK produzierte Strom vorwiegend auf Erdgasbasis erzeugt wird und die CO 2 -intensive Stromproduktion durch Steinkohle substituiert [FFE05]. Insbesondere seit 2006 ist aber auch ein 9

20 deutlicher Anstieg an KWK-Strom aus Biomasse zu verzeichnen, der von der Unterstützung durch Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) getragen wird [UBA12]. Somit werden gegenwärtig in bestehenden KWK-Anlagen vorwiegend emmisionsarme bzw. emmisionsneutrale Energieträger eingesetzt und durch die KWK-Nutzung eine emmisionsintensivere Energieumwandlung ersetzt. Neben möglichen monetären Anreizen durch vermiedene CO2-Emissionen ist dies vor allem als ein volkswirtschaftlicher Nutzen anzusehen, da die gesamte Gesellschaft durch die verminderten Umweltbelastungen profitiert. 6 Ähnlich verhält sich dieser Zusammenhang auch im ökonomischen Sinn. Eine an der TU Berlin durchgeführt Studie untersuchte die Grenzkosten von in der Sommerzeit zusätzlich erzeugten Wärmemengen. Diesbezüglich wurde ein großes deutsches Fernwärmenetz mit dem verbundenen Kraftwerkspark an KWK-Anlagen und Heizwerken über ein Jahr nachgebildet und eine erhöhte sommerliche Wärmenachfrage simuliert. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass sich die zusätzlich erzeugten Wärmemengen annähernd kostenneutral erzeugen lassen, solange sich die Fernwärme-Rücklauftemperaturen durch den verstärkten Einsatz von Absorptionskälteanlagen nicht signifikant erhöhen [NASS10]. Wenn den Fernwärmeversorgern diese Vorteile von KWKK bewusst sind, und sie die sommerliche Fernwärme zu vergünstigten Konditionen an die Rechenzentrumsbetreiber liefern, so können beide Parteien durch den Einsatz von Absorptionskälteanlagen zur Rechenzentrumsklimatisierung profitieren. Damit der Betrieb von Absorptionskälteanlagen für den Rechenzentrumsbetreiber wirtschaftlich interessant wird, müssen die Grenzkosten der Kälteerzeugung kleiner als die der Kompressionskälte sein. Da eine Einheit Kälte mit ca. ¼ Einheit Strom erzeugt werden kann 7, eine einstufige Absorptionskälteanlage aber ca. 1,4 Einheiten Wärme für die gleiche Kälteerzeugung benötigt 8, ergibt sich daraus die Notwendigkeit, dass die spezifischen Kosten der Wärme etwa 20% der spezifischen Stromkosten betragen dürfen. 6 Dieses Argument verliert natürlich langfristig mit zunehmendem Anteil an Regenerativen Energien im Strom-Mix an Gewicht. 7 Annahme: Die Kompressionskälteanlage besitzt eine durchschnittliche Leistungszahl von 4 8 Annahme: Das Wärmeverhältnis (COP) beträgt ca. 0,7 10

21 2. Quantifizierung Werden Kälteanlagen von Rechenzentren durch Abwärme aus KWK-Prozessen und nicht durch Strom angetrieben, kann dies einen Beitrag dazu leisten, dem Green-IT-Ziel des Rates der IT-Beauftragten näher zu kommen 9. Die Formulierung des Green-IT-Zieles spricht nur von einer Einsparung an Energie, ohne die Energieform explizit zu erwähnen. Jedoch kann davon ausgegangen werden, dass es sich bei der Zielstellung um eine Einsparung an elektrischem Stromverbrauch handelt, da Elektrizität die vorherrschende Energieform beim Betrieb der Informationstechnologie ist. Aus diesem Grund beziehen sich die nachfolgenden Berechnungen von Einsparpotentialen nur auf elektroenergetische Einsparpotentiale 10. Diese Einschränkung ist auch notwendig, da die Substitution von Elektrizität durch Wärme in der Kühlung von Rechenzentren per se nicht zu Energieeinsparungen führen kann, wenn die niedrigwertige Energieform Wärme in gleicher Weise wie die hochwertige Energieform Strom gewichtet wird. An dieser Stelle sei auf Kapitel III und IV verwiesen, in denen diese Thematik ausführlich diskutiert wird. Zugleich wird in diesen Kapiteln ein Verfahren ausgearbeitet, wie die Wärmebewertung im Bezug zur Elektrizität korrekt erfolgen kann. Der Fokus des Einsparpotentials liegt auf den Rechenzentren der Bundesverwaltung, da nur deren Energiebedarf für das oben genannte Einsparziel von Relevanz ist. Dieser Energiebedarf ist groß. Die Informationsund Kommunikationstechnologie in der Bundesverwaltung benötigte im Jahr 2010 über 500 Gigawattstunden Strom, mehr als die Hälfte davon entfiel auf zentral genutzte IT-Einheiten, wie z.b. "Rechenzentren und Serverräume Dieses fordert eine Minderung des durch den IT-Betrieb verursachten Energieverbrauchs um 40 % (bezogen auf den Energiebedarf des verbrauchsintensivsten Jahres vor 2009) bis zum Jahr In Abstimmung TU Berlin (Hr. Lanser) & BMI (Hr. Weprajetzky) 11 Angaben stammen aus den Energieverbrauchswerten der einzelnen Ressorts 11

22 Abbildung 4: Anteil der Rechenzentren am Gesamtenergiebedarf der IT der Bundesverwaltung Trotz des Fokus auf die Bundesverwaltung sind die Ergebnisse der Studie in Analogie auch auf andere Rechenzentren in Deutschland übertragbar. Laut Schätzungen des Innovationszentrum Energie der TU Berlin beträgt der Strombedarfsanteil der Rechenzentren der Bundesverwaltung ca. 3% des Gesamtstrombedarfs aller in Deutschland derzeit existierender Rechenzentren. a) Definition der Methodik zur Bestimmung des Einsparpotentials Um festzustellen, an welchen Stellen Einsparungen möglich sind, ist es wichtig zu wissen, welche Rechenzentren für die thermisch angetriebene Kältetechnik in Frage kommen und diese noch nicht nutzen. Rechenzentren können sehr unterschiedlich groß sein. Sehr wenige Großrechenzentren sind üblicherweise für einen relativ hohen Anteil des Gesamtenergiebedarfes verantwortlich. Die Hauptanzahl der Rechenzentren hingegen - je nachdem welche Definition für den Begriff Rechenzentrum herangezogen wird, sind eher kleine Serverräume oder gar nur Serverschränke. Um die wenigen großen Rechenzentren der Bundesverwaltung im Rahmen dieser Studie möglichst genau zu analysieren, wurde deren Art der Klimatisierung und der Energiebedarf über einen eigens erstellten Fragebogen ermittelt (Anhang A). Rechenzentren im kleinen bis mittleren Leistungsbereich, deren Anzahl für eine Einzelbefragung zu groß ist, werden mit statistischen Methoden analysiert. Um eine möglichst gute statistische Aussage zu ermöglichen, wird auf die Ergebnisse 12

23 der Befragung der TU-Konzeptstudie zur Energie- und Ressourceneffizienz von Rechenzentren zurückgegriffen. Zunächst erfolgt eine Kategorisierung der Rechenzentren anhand deren Größe. Diese erfolgt in naher Anlehnung zu den Vorschlägen in [IZE08] und [UBA10], die beide auf Daten des Marktforschungsunternehmens TechConsult basieren. Während das IZE sechs Kategorien der Größenordnung von Rechenzentren vorschlägt, definieren die Autoren der UBA-Studie 5 Kategorien. Hierbei ist zu beachten, dass sich nicht nur die Anzahl der Kategorien, sondern teilweise auch die Klassengrenzen unterscheiden: Borderstep / IZM Vergleich der RZ-Kategorien Bezeichnung Serveranzahl Bezeichnung Serveranzahl IZE Serverschrank 3-10 Serverschrank 1-2 Serverraum Serverraum 3-10 kleines RZ kleines RZ Rechenzentrum mittl. RZ mittl. RZ großes RZ >5001 großes RZ >800 Abbildung 5: Kategorisierung der Rechenzentrumstypen Eine festgeschriebene Definition existiert bislang nicht. Sie ist aber auch für die weiteren Überlegungen unerheblich. Für die vorliegende Potentialstudie wurden in naher Anlehnung an die beiden Klassifizierungsvorschläge drei zweckmäßige Kategorien gebildet, in denen die Zusammensetzung der Klimatechnik mit unterschiedlichen Methoden ermittelt wird. Diese Kategorien unterteilen sich wie folgt: Eigene Kategorisierung Bezeichnung Serveranzahl Abwärmelast Serverschrank, Serverraum 1-10 bis ca. 5 kw Kleinste bis mittlere Rechenzentren große Rechenzentren >800 bis ca. 300 kw > 300 kw Abbildung 6: Kategorisierung Rechenzentrumstypen anhand der Kühllast Die in Abbildung 6 angegebene eigene Abwärme ist als Richtgröße zu verstehen. Sie beinhaltet neben der Abwärme der Server einen Zuschlag für weitere Kühllasten, die durch elektrische Verbraucher im Serverraum entstehen. 13

24 Die kleinste Kategorie, hier als Serverschrank und Serverraum bezeichnet, hat eine typische Abwärmelast von weniger als 5 kw th. Für diese Leistungsklasse wird angenommen, dass die Absorptionskältetechnik die Kompressionskälte in naher Zukunft nicht ersetzen wird. Diese Annahme beruht darauf, dass die thermisch angetriebene Kühlung bei dem aktuellen Stand der Technik und diesen kleinen Leistungen noch nicht wirtschaftlich mit der Kompressionskälte konkurrieren kann 12. Anders verhält es sich bei größeren Kühllasten bis 300 kw. In dieser Leistungsklasse existieren viele Rechenzentren, von denen einige wenige bereits die Möglichkeit der thermisch angetriebenen Klimatisierung nutzen und kein Einsparpotential mehr bieten. Die Potentialabschätzung in dieser Klasse soll rein mit statistischen Methoden erfolgen. Die zur Potentialabschätzung notwendigen Daten innerhalb der Großrechenzentren wurden mit dem oben genannten Fragebogen ermittelt. Auch in dieser Größenklasse existiert KWKK gerade deshalb, weil der Unterschied in den spezifischen Investitionskosten für Absorptionskälteanlagen und Kompressionskälteanlagen mit zunehmender installierter Leistung abnimmt. Absorptionskälte wird somit bei großen Installationen schneller wirtschaftlich profitabel. Von Interesse ist nun, wie sich der elektrische Gesamtenergiebedarf auf die drei beschriebenen Klassen verteilt, um die Einsparpotentiale quantitativ eingrenzen zu können. Da keine anders lautenden Informationen über die Zusammensetzung und Größenstruktur der Rechenzentren in der Bundesverwaltung vorliegen, wird die Annahme getroffen, dass die Verteilung der Server ähnlich der aller Rechenzentren in Deutschland ist. 12 Dem Fachgebiet der TU Berlin sind keine Installationen von KWKK in der Kälteleistungsklasse unter 10kW zur Kühlung eines Serverraums bekannt, außer der Installation im eigenen Haus. Hierbei handelt es sich aber um einen Testaufbau einer Absorptionskälteanlage, die noch nicht marktverfügbar ist. 14

25 In die Kategorie Einzelserver und Serverschrank mit einer Bestückung von einem bis ca. 10 Servern fällt annähernd die Hälfte der installierten Server (Abbildung 7). Kleinste bis mittlere Rechenzentren beinhalten ca. 35% und die Großrechenzentren ca. 17% der vorhandenen Server. Da der Gesamtenergiebedarf eines Rechenzentrums annähernd proportional zur Serveranzahl ist 13, gilt dieser Anteil an installierten Servern auch für den Gesamtenergiebedarf der zentral genutzten IT-Technik, der behördenseitig mit ca. 272 GWh el angegeben wird. 17,0% 48,3% 34,7% Einzelserver & Serverschränke (1 bis 10 Server) Kleinste bis mittlere Rechenzentren (11 bis 800 Server) Großrechenzentren (über 800 Server) Abbildung 7: Verteilung der Server nach Größenklasse eines Rechenzentrums für die Potentialanalyse Somit teilt sich der elektrische Gesamtenergiebedarf von 272 GWh aus dem Jahr 2010 auf die drei Kategorien vermutlich wie folgt auf: Einzelserver und Serverschränke Kleinste bis mittlere Rechenzentren Große Rechenzentren ~ 132 GWhel ~ 94 GWhel ~ 46 GWhel Nennenswertes Einsparpotential kann laut oben genannter Annahme nur in den beiden Kategorien kleinere bis große Rechenzentren vorkommen. Diese Rechenzentren verursachen in etwa die Hälfte des Gesamtenergiebedarfes. 13 Es gibt zwei gegenläufige Tendenzen: Der Strombedarf eines typischen Servers steigt leicht bei größeren Rechenzentren, der PUE fällt oft leicht. 15

26 Der Energiebedarf in den Großrechenzentren und dessen Auswirkung auf die erwartete Verteilung der Rechenzentren (Ergebnisse des Fragebogens) Unter der Voraussetzung, dass alle Großrechenzentren ihre Verbrauchsdaten übermittelt haben, existieren derzeit sechs Rechenzentren mit durchschnittlichen Kühllasten von über 300 kw. Zwei dieser Rechenzentren besitzen die Möglichkeit zur indirekten Freien Kühlung, ein weiteres Rechenzentrum kann mithilfe von direkter Freier Kühlung bis zu Umgebungstemperaturen von 15 C die Kälteanlagen unterstützen und Abwärme an die Umgebung abführen. Drei der sechs Rechenzentren können zumindest teilweise ihre Abwärme nutzen, da sie über geeignete Wärmerückgewinnungssysteme verfügen. Vier Rechenzentren sind an Standorten platziert, die einen Fernwärmeanschluss besitzen. Ein weiteres Rechenzentrum wird voraussichtlich demnächst an ein Fernwärmenetz angeschlossen und auch das sechste Rechenzentrum vermutet eine Anschlussmöglichkeit in unmittelbarer Nähe. In Summe benötigten die sechs größten Rechenzentren der Bundesverwaltung 44,1 GWh el elektrische Energie und knapp 3 GWh th thermische Energie, da eines der Großrechenzentren bereits über eine Absorptionskälteanlage verfügt. Der grobe Erwartungswert des Energiebedarfs in der Kategorie Großrechenzentren von ca. 46 GWh el und die These, dass die Zusammensetzung und Größenstruktur der Rechenzentren der Bundesverwaltung ähnlich der allgemeinen Verteilung ist, wurde somit durch den Rücklauf des Fragebogens bestätigt. Die Verteilung des Gesamtenergiebedarfs von ca. 272 GWh korrigiert sich mithilfe der Ergebnisse des Fragebogens somit leicht zu: Einzelserver und Serverschränke kleinste bis mittlere Rechenzentren Große Rechenzentren ~ 131,6 GWhel, ~ 96,7 GWhel ~ 44,1 GWhel 16

27 b) Das Einsparpotential in der Kategorie Großrechenzentren: Vom elektrischen Gesamtenergiebedarf der Großrechenzentren von 44,1 GWh entfallen laut Auskunft der Betreiber 28,5 GWh (ca. 65%) auf den Strombedarf der IT (siehe Abbildung 8). Daraus ergibt sich, dass die Großrechenzentren der Bundesverwaltung überdurchschnittlich effizient mit der ihnen zur Verfügung gestellten Energie haushalten. Der über alle sechs Großrechenzentren gemittelte PUE beträgt 1,55. Das effizienteste Großrechenzentrum zeichnet sich durch einen hervorragenden PUE von 1,35 aus. Selbst das am wenigsten effiziente Großrechenzentrum der Bundesverwaltung hat einen PUE von 1,7, was etwa dem Durchschnitt in der deutschen Rechenzentrumslandschaft entspricht. Ein Ersatz von Kompressionskälteanlagen durch Absorptionskälte kann keine Einsparungen am IT-Strombedarf ermöglichen. Folglich sind Einsparpotentiale im Energieanteil der IT-Infrastruktur 14 am elektrischen Gesamtenergiebedarf großer Rechenzentren ausfindig zu machen. Der IT-Infrastrukturanteil beträgt 15,6 GWh el und somit 35% des Gesamtenergiebedarfs. In einem typischen Rechenzentrum existieren neben den Kälteanlagen weitere Verbraucher, die einen hohen Anteil am Strombedarf der Infrastruktur haben. Hierzu gehören insbesondere Umluftklimageräte, deren elektrische Leistungsaufnahme ebenso wie die Verluste der unterbrechungsfreien Stromversorgung eine interne Kühllast darstellt. Die zu kühlende Last in einem Rechenzentrum ist also in der Regel höher als die Stromaufnahme der Server. Durch den Einsatz von thermisch angetriebenen Kälteanlagen kann nie der gesamte Strombedarf für die Kälteerzeugung und -verteilung eingespart werden, denn auch die Absorptionskältetechnik benötigt elektrische Energie. Dieser Nebenstromverbrauch setzt sich vorwiegend aus dem Energiebedarf für die Wärmeabfuhr am Rückkühler und für die Umwälzpumpen für Kalt- und Kühlwasser zusammen. Diese Komponenten werden unabhängig von der Art der Kälteerzeugung benötigt, und stellen bei allen Kältesystemen einen relevanten nicht zu vernachlässigenden Anteil dar. 14 Mit Infrastruktur ist im Folgenden der Nicht-IT -Anteil gemeint. 17

28 Abbildung 8: Berechnungsmethodik zur Bestimmung des Einsparpotentials der Großrechenzentren Das tatsächliche Einsparpotential ist somit begrenzt auf den Strombedarf für die Kompressionskälteanlagen, bzw. deren Kompressoren. Dieser wird üblicherweise aber nicht separat ermittelt 15. Die dazu nötige Ausstattung mit Messtechnik ist in der Regel nur bei wissenschaftlich begleiteten F&E-Projekten anzutreffen. Daher muss der Strombedarf der Kompressoren durch empirische Größen geschätzt werden. Grundlagen sind Ergebnisse der IZE-Befragung deutscher Rechenzentren, Richtgrößen aus der DIN V und eigene Messwerte der TU aus betreuten Liegenschaften. Unter der Annahme, dass Umluftklimageräte, USV-Verluste etc. weitere 20% der IT-Last ausmachen, ergibt sich aus dem bekannten IT-Strombedarf von 28,5 GWh eine jährliche Abwärmemenge und somit erzeugte Kälteenergie von 34,2 GWh (linke Spalte der Abbildung 8). Ein Anteil von 6,3% dieser Kältemenge wird bereits durch Absorptionskälte, die restliche Kältemenge durch Kompressionskälteanlagen und Freikühler gedeckt. 15 Dies bestätigen die Rückläufe der Fragebögen zur Energieeffizienz in Rechenzentren, die den Verfassern der Studie vorliegen (IZE-Fragebogen und Behördeninterner Fragebogen) 18

29 Unter der Annahme, dass die Großrechenzentren mit indirekter Freier Kühlung 50% und das Großrechenzentrum mit direkter Freier Kühlung 70% ihrer Abwärme ohne Kälteanlagenbetrieb abführen können, ergibt sich für die Gesamtheit der Wärmeabfuhr der sechs Großrechenzentren ein Freikühlanteil von knapp 20% der jährlichen Abwärmemenge. Anhand dieser Aufteilung der erzeugten Kältemengen in die Anteile Kompressionskälte (25,9 GWh th ), Absorptionskälte (2,2 GWh th ) und Freikühler (6,2 GWh th ) lassen sich die Stromverbräuche der Rückkühler, Freikühler und Pumpen abschätzen (mittlere Spalte der Abbildung). Demnach teilen sich die 9,9 GWh el, die in Abbildung 8 als Rest = Klimatechnik bezeichnet werden, wie folgt auf: Strombedarf Pumpen und Rückkühlung für Bestands- AKA: 0,4 GWh Strombedarf Rückkühlung KKA und Freie Kühlung 1,9 GWh Strombedarf Pumpen KKA und Freie Kühlung 1,0 GWh 16 Es verbleiben 6,6 GWh elektrischer Energie, die dem Anteil der Kompressionskälteanlagen zugeordnet werden können (Kompressoren). Mithilfe dieser 6,6 GWh werden gut 25,9 GWh Kältemenge produziert. Dies führt zu einer gemittelten Leistungszahl der Kompressionskälteanlagen in den Großrechenzentren der Bundesverwaltung von ca. 3,9. Dieser Wert liegt im erwarteten Bereich und bestätigt somit die hier vollzogene Berechnungsmethodik. Werden die Kompressionskälteanlagen durch thermisch angetriebene Kälteanlagen ersetzt, können nicht 6,6 GWh an elektrischer Energie eingespart werden, da ein kleiner Teil an zusätzlichem elektrischem Energieaufwand entsteht. Neben der Abwärme des Serverraums muss auch die Antriebswärme der Kälteanlage über die Rückkühlkreise abgeführt werden. Das ist der Grund dafür, weshalb sich insbesondere deren Energiebedarf vergrößert. Mit diesen Annahmen über die Größenordnung der elektrischen Stromverbräuche und unter der Voraussetzung, dass Kompressionskälte ausschließlich durch Absorptionskälte ersetzt wird (und sich das Verhältnis von Kälteanlagenanteil zu Freikühlanteil nicht ändert), erfolgt eine neue Aufteilung im Strombedarf der Klimatechnik zu (rechte Spalte der Abbildung): 16 Es wird von einem elektrischen Energieaufwand der Pumpen von 0,015 kwh el transportierter Wärmemenge, sowie einem elektrischen Energieaufwand von 0,045 kwh el je abgeführter Wärmeeinheit ausgegangen. 19

30 Strombedarf Pumpen und Rückkühlung für Bestands- AKA: 0,4 GWh Strombedarf Rückkühlung AKA und Freie Kühlung Strombedarf Pumpen KKA und Freie Kühlung 3,1 GWh 1,7 GWh Ausgehend von ursprünglich 9,9 GWh el beträgt der elektrische Gesamtenergiebedarf des nun aus AKA und Freikühlern bestehenden Klimasystems nur noch 5,2 GWh el. In der Kategorie Großrechenzentren können somit ca. 4,3 GWh el eingespart werden. Dies entspricht ca. 10% des durch den Fragebogen ermittelten Gesamtenergiebedarfs der Großrechenzentren. c) Das Einsparpotential in der Kategorie kleinste bis mittlere RZ: Der elektrische Gesamtenergiebedarf der kleineren bis mittleren Rechenzentren liegt mit 96,7 GWh mehr als doppelt so hoch wie der der Großrechenzentren. Wie sich dieser elektrische Gesamtenergiebedarf zusammensetzt, wird rein statistisch abgeschätzt. Es liegen aus einer in den Jahren 2008/2009 durchgeführten Befragung Daten von 28 Rechenzentren mit Kühllasten unter 300kW vor. Im Rahmen der in diese Studie integrierten Befragung der Rechenzentren der Bundesverwaltung stellten weitere 7 Rechenzentren ihre Verbrauchsdaten zur Verfügung, so dass ein Datensatz von insgesamt 35 kleineren bis mittleren Rechenzentren vorliegt. Drei dieser Rechenzentren nutzen bereits Absorptionskälteanlagen, wobei zwei der Rechenzentren seitens ihrer Regelungslogik die Absorptionskälteanlagen gegenüber den ebenfalls existierenden Kompressionskälteanlagen bevorzugen. Bei einem weiteren Rechenzentrum existiert lediglich ein großer Absorber ohne redundante Kompressionskälteanlage. Da hier auch keine Freie Kühlung oder die Möglichkeit der Abwärmenutzung besteht, führt der Absorber die komplette Jahresabwärmemenge der Server ab. Vergleicht man nun die mit der jeweiligen Kältetechnik abgeführte jährliche Wärmemenge, so werden derzeit bei den 35 Rechenzentren dieser Leistungsklasse ca. 53% der Abwärmemenge über Kompressionskälteanlagen, 6% von Absorptionskälteanlagen und 41% über Freie Kühlung abgeführt Unter der Annahme, dass Bestandsrechenzentren dieser Leistungsklasse mit indirekter Freier Kühlung 40% der Jahresabwärme und mit direkter Freier Kühlung 60% der Jahresabwärme abführen können. 20

31 Im Mittel besitzen diese Rechenzentren einen PUE von 1,75. Jedoch ist die Streuung sehr groß: das effizienteste Rechenzentrum besitzt nach eigenen Angaben einen PUE von 1,23, wohingegen das ineffizienteste Rechenzentrum seinen PUE mit 2,77 beziffert. Daraus erschließt sich direkt, dass ca. 55,3 GWh des Gesamtenergiebedarfs für die IT aufgewendet werden. Bei den kleinen bis mittleren Rechenzentren lässt es sich schwerer realisieren, modularisierte Redundanzen in der Infrastruktur aufzubauen. Das wirkt sich nicht nur bei der USV nachteilig auf die Effizienz aus. Es wird daher die Annahme getroffen, dass der Leistungsanteil der Infrastruktur im Serverraum - die selbst Wärmequelle ist -, in dieser Kategorie durchschnittlich 30% der IT-Last beträgt. Daraus ergibt sich eine erwartete Zusammensetzung des elektrischen Gesamtenergiebedarfs linke Spalte von Abbildung 9): IT-Strombedarf: Infrastruktur im Serverraum (USV, UKG etc.): 55,3 GWh 16,6 GWh Der verbleibende Rest des Energiebedarfs von 24,9 GWh wird in Analogie zu den Großrechenzentren den Komponenten der Klimatechnik zugeordnet. Das tatsächliche Einsparpotential, also der Strombedarf der Kompressoren wird ebenfalls in Analogie zu den Großrechenzentren mit gleicher Methodik abgeschätzt. Anhand der Aufteilung der erzeugten Kältemengen in die Anteile Kompressionskälte (37,8 GWh th ), Absorptionskälte (4,2 GWh th ) und Freikühler (29,8 GWh th ) lassen sich wie bei den Großrechenzentren die Stromverbräuche der Rückkühler, Freikühler und Pumpen abschätzen. Im Vergleich zu den Komponenten der Großrechenzentren werden Effizienzeinbußen von 50% angenommen, da im Allgemeinen bei Kälteanlagen, Pumpen und auch Rückkühleinrichtungen kleinerer Leistungsklassen den Investitionskosten und nicht der Energieeffizienz eine hohe Priorität in der Anschaffung zugeschrieben wird. 21

32 Abbildung 9: Berechnungsmethodik zur Bestimmung des Einsparpotentials kleinster und mittlerer RZ Der Energiebedarf der serverraumexternen Klimatechnik von 24,9 GWh el teilt sich anhand der Abschätzung der Nebenstromverbräuche wie folgt auf (mittlere Spalte von Abbildung 9): Strombedarf Pumpen und Rückkühlung für Bestands-AKA: 1,0 GWh Strombedarf Rückkühlung KKA und Freie Kühlung Strombedarf Pumpen KKA und Freie Kühlung 5,7 GWh 2,8 GWh In der Kategorie der kleineren Rechenzentren verbleiben also 15,4 GWh an elektrischer Energie, die zum Großteil den Kompressoren der Kompressionskälteanlagen zugeordnet werden können. Die sich daraus ergebende Energieeffizienz der Kälteanlagen ist wesentlich schlechter, als die in den Großrechenzentren. Mit einem Aufwand von 15,4 GWh werden gut 37,8 GWh Kälte produziert, dies entspricht einer gemittelten Leistungszahl der 22

33 kleineren Kompressionskälteanlagen von ca. 2,5. Auch dieser Wert liegt im plausiblen Bereich. Wiederum kann nicht der gesamte den Kompressoren zugeordnete Energiebedarf durch thermisch angetriebene Kälteanlagen ersetzt werden. Analog zu den Großrechenzentren entsteht ein Anteil elektrischen Nebenstromverbrauchs. Mithilfe derselben Annahmen über die Größenordnung der elektrischen Nebenstromverbräuche und der Voraussetzung, dass durch den Austausch von Kompressionskälteanlagen mit Absorptionskälteanlagen sich der Freikühlanteil nicht ändert, entsteht eine neue Verteilung im Strombedarf der Klimatechnik (rechte Spalte von Abbildung 9): Strombedarf Pumpen und Rückkühlung für Bestands- AKA: 1,0 GWh Strombedarf Rückkühlung AKA und Freie Kühlung Strombedarf Pumpen KKA und Freie Kühlung 9,1 GWh 4,6 GWh Von ursprünglich 24,9 GWh el könnte der elektrische Gesamtenergiebedarf eines Kältesystems, welches nur aus AKA und Freikühlern besteht, auf 14,7 GWh el verringert werden. Daraus resultiert bei den kleineren bis mittleren Rechenzentren ein absolutes Einsparpotential von ca. 10,1 GWh el, das wie bei den Großrechenzentren ca. 10% des Gesamtenergiebedarfs entspricht. 23

34 d) Schlussfolgerung zur Quantifizierung der Einsparpotentiale: Der Einsatz von Absorptionskälteanlagen, die mithilfe von Fernwärme also größtenteils Abwärme aus KWK-Prozessen angetrieben werden, kann einen Beitrag dazu leisten, den Stromverbrauch der IKT innerhalb der Bundesverwaltung zu reduzieren. Dieser Beitrag beschränkt sich aber nur auf die zentralen IT-Einheiten, die etwa die Hälfte des Gesamtstromverbrauchs verursachen. Auch innerhalb dieser zentralen IT-Einheiten entfallen weitere 50% des Stromverbrauchs auf kleinste Servereinheiten, bei denen Absorptionskälte derzeit noch nicht wirtschaftlich zu vertreten ist. Wenn alle echten Rechenzentren der Bundesverwaltung ihre Kompressionskälteanlagen durch Absorptionskälteanlagen substituieren würden, so ergibt sich in Summe ein jährliches Einsparpotential an Elektrizität von 14,4 GWh. Weitere Maßnahmen, wie z.b. die verstärkte Nutzung von Freier Kühlung bieten ebenfalls Einsparpotentiale, sind in dem berechneten Wert nicht enthalten. Mehr als zwei Drittel dieses Potentials besteht bei kleineren bis mittleren Rechenzentren, deren Anzahl sehr hoch ist. Ein knappes Drittel von 4,3 GWhel könnte jedoch in den fünf Großrechenzentren der Bundesverwaltung umgesetzt werden. Bezogen auf den Basiswert des Gesamtenergiebedarfs der IKT in der Bundesverwaltung (ca. 650 GWh) kann die durch Fernwärme angetriebene Absorptionskälte einen Beitrag von ca. 2% zur Stromeinsparungen leisten. Damit könnte sie einen kleinen aber nicht unerheblichen Beitrag zum Einsparziel von 40% beitragen, welches bis zum Jahr 2013 umgesetzt werden soll. 24

35 III. Analyse von Ansätzen, wie thermisch angetriebene Klimatisierung auf den derzeit gängigsten Kennwert für Energieeffizienz eines Rechenzentrums ( PUE-Wert) angerechnet werden kann In diesem Kapitel Studie sollen Methoden entwickelt und bewertet werden, mit denen Rechenzentren, die Wärme als Antrieb der Klimatechnik einsetzen, ihre Energieeffizienz mit herkömmlich klimatisierten Rechenzentren vergleichen können. Allen Methoden ist gemein, dass dem Nutzen des Rechenzentrums der Datenverarbeitung zwei Arten von Aufwendungen entgegenstehen: Wärmeenergie und elektrische Energie. Die Problematik der Fragestellung stellt sich analog zu der in Kapitel I angesprochenen Bewertung des Gesamtwirkungsgrades einer KWK-Anlage dar. Es gibt im Rechenzentrum auf der Nutzenseite nur ein Produkt. Auf der Aufwandseite hingegen werden zwei Edukte zum störungsfreien Betrieb des Rechenzentrums benötigt. Um den eindeutigen Vergleich mit anderen Rechenzentren zu ermöglichen, muss ausgeschlossen sein, dass eine zweite Kennzahl zur Bewertung der Effizienz des Rechenzentrums eingeführt wird. Somit stellt sich die grundlegende Frage, wie die von der Klimatechnik benötigte Wärme mit den weiteren elektrischen Aufwendungen ins Verhältnis gesetzt werden soll. Hierzu existiert für den Anwendungsfall Rechenzentrum noch kein einheitliches Verfahren in Deutschland, welches wissenschaftlichen Ansprüchen genügt. Daher werden im Folgenden unterschiedliche Methoden vorgestellt, wie die Antriebswärme von Kälteanlagen in der Berechnung des gängigsten Energieeffizienzkennwertes von Rechenzentren, dem Power Usage Effectiveness Wert (PUE) integriert werden könnte. Alle Methoden werden mit ihren jeweiligen Vor- und Nachteilen gegenübergestellt, um sie bewerten zu können. Im Weiteren werden die vorgestellten Verfahren in einer Beispielrechnung anhand eines Referenzrechenzentrums durchgeführt, um die Auswirkungen der unterschiedlichen Verfahren auf die PUE-Berechnung aufzuzeigen. Der PUE 18 wird aus dem Verhältnis der Leistungsaufnahmen des gesamten Rechenzentrums (P RZ ) und der reinen IT-Leistungsaufnahme (P IT ) gebildet und 18 Eigentlich wird der PUE aus Energiemengen berechnet und nicht aus den momentanen Leistungen. Der physikalisch richtige Begriff Energy Usage Efficiency EUE hat sich aber leider in der Praxis weniger durchgesetzt und wird deshalb hier auch nicht weiter verwendet. Mittlerweile ist die Erfassung des PUE auch von seinen Erfindern präzisiert worden und bezieht sich auf Energieinheiten (vergl. BITKOM: Wie messe ich den PUE richtig?) 25