Coole Verbindung. Serverkühlung durch Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung. Energieeffizienz einer KWKK-Anlage in Marburg. Der Autor

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1 30 Rathaus in Marburg. (Alle Abb. Invensor) Coole Verbindung Energieeffizienz einer KWKK-Anlage in Marburg Die Serverkühlung des städtischen Rechenzentrums Marburg arbeitet mit Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung. Die Anlage produziert Strom, Wärme und Kälte und senkt dort seit September 2011 den Energiebedarf. Etwa 700 Rechner besitzt die Marburger Stadtverwaltung, alle greifen auf Programme und Daten zu, die auf den zentralen EDV-Servern der Stadt abgelegt sind. Damit es dort zu keinem Ausfall kommt, müssen die Server stets gut gekühlt sein. Bis zum Frühjahr vergangenen Jahres bestand die Kühlung der Marburger Server aus einer Umluftkühlung mit einer fünfprozentigen Außenluftzugabe. Zur Kühlung auf konstante 22 C wurde eine Kompressionskältemaschine eingesetzt. Um den aktuellen Vorschriften des Brand-, Wasser- und Einbruchschutzes zu genügen, wurde aufgerüstet, zunächst Der Autor mit drei hermetisch abgeschlossenen Serverschränken der Rittal GmbH, die verschie- Dipl.-Ing. Hans Herman Freischlad ist Geschäftsführer der Energiedienstleistungen & Hausverwaltung EDL & HV Freischlad Gbr, in Haiger. Kontakt zum Autor: hans-hermann.freischlad@ cci-dialog.de dene Kühloptionen boten. Bei der Durchsicht der Energiekosten stieß der Marburger

2 31 Die gesamte Anlage unterteilt sich in drei Kreisläufe, die alle bei der Adsorptionskältemaschine zusammenlaufen Kühl- bzw. Kältekreis, Antriebskreislauf und Rückkühlkreislauf. Bei entsprechenden Temperaturen überbrückt ein vierter Kreislauf für die freie Kühlung (Free Cooling) die Kältemaschine und koppelt den Rückkühler mit den Verbrauchern (oben rechts). Magistrat darauf, dass der Löwenanteil des gesamten Strombedarfs der Stadtverwaltung von kwh pro Jahr auf die Server und das Gebäude entfielen, für Kühlung und Ventilation waren alleine kwh erforderlich. Diese Kosten wollten die Marburger reduzieren. Die Stadt holte sich daher professionelle Hilfe beim Energiedienstleister Freischlad. Nach Erstellung einer Wirtschaftlichkeitsberechnung plante Freischlad zusammen mit dem Kältemaschinenhersteller Invensor eine neue Anlage, die eine Kopplung von BHKW, Kältemaschine und Serverkühlung vorsah. Funktionsweise der Anlage Ein in die Serverschränke eingesetztes cooling package saugt warme Luft an der Rückseite der Serverschränke ab und bläst abgekühlte Luft seitlich in den vorderen Teil des Serverschranks. Ein Luft-Wasser-Wärmeübertrager, ausgebildet als Rücktür des Serverschranks, sorgt dafür, dass die warme Abluft der Server wieder auf Zuluft-Niveau abgekühlt wird. Das kalte Wasser stammt aus einer Adsorptionskältemaschine, die mit der Wärme eines erdgasbetriebenen BHKW betrieben wird, das seinerseits Strom unter ande- rem für den Serverbetrieb produziert. Dreifache Energienutzung Bei der Kopplung einer Kraft- Wärme-Kopplungsanlage (KWK) mit einer wärmegetriebenen Kältemaschine wird die Wärme der KWK-Anlage nicht nur zur Heizung oder Warmwasserbereitung, sondern auch zum Antrieb eines Kälteprozesses genutzt. Diese Kraft- Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK) im englischen Trigeneration reduziert den Energiebedarf zur Kühlung der EDV-Server auf weniger als die Hälfte. Wichtig ist, dass sowohl die von der KWK erzeugte Strommenge als auch die Wärme möglichst vollständig genutzt werden, um die Energieeffizienz zu optimieren. Ein Teil des Stroms wird für die Pumpen der wärmebetriebenen Kälteanlage benötigt, der größte Teil wird in Marburg zur Deckung des Strombedarfs im Versorgungsobjekt (Gebäude und Server) genutzt. Die Wärme aus dem KWK-Prozess beheizt das Gebäude und treibt die Adsorptionskältemaschine an. Der Clou dieser technischen Lösung: Wenn im Sommer der größte Bedarf an Kühlung vorhanden ist, steht die Wärme

3 32 So funktioniert die Adsorptionskältemaschine Poröse Feststoffe, sogenannte Adsorbentien, eignen sich am besten zur thermischen Kälteerzeugung. Silicagel und Zeolith sind dabei die gebräuchlichsten Sorptionsmittel bei heute gebauten Adsorptionskältemaschinen. Beim Adsorptionskälteprozess wird der Umgebung bei sehr niedrigem Druck durch Verdampfen des Kältemittels Wasser Wärme entzogen und somit Nutzkälte erzeugt. Die in Marburg verwendete Adsorptionskältemaschine Invensor LTC 09 arbeitet mit aus zwei mit Zeolith bestückten Kammern, dort laufen wechselweise zwei Prozesse gleichzeitig ab: Zum einen saugt eine Kammer das Kältemittel aus dem Verdampfer ab und lagert den Dampf an das Adsorptionsmittel an. Zum anderen desorbiert das im Zeolith gebundene Kältemittel in der zweiten Kammer und wird als Dampf in die Kammer mit dem Kondensator abgeführt, von wo es in Form von Wasser wieder zum Verdampfer geführt wird. Durch zyklische Umschaltung des Betriebs der beiden Adsorberkammern entsteht so ein fast kontinuierlicher Prozess, der Kaltwasser von minimal 5 bis 6 C erzeugt. Der Vorteil: Im Gegensatz zu Absorptionsmaschinen, die flüssige, meist korrosive oder gesundheitsgefährdende Arbeitsstoffe beinhalten, ist bei Durch Umlenken des Heiz- und Kühlwasserkreislaufs (Phase 1 und Phase 2) werden die Betriebsweisen der beiden Adsorber am Zyklusende vertauscht und der Prozess beginnt erneut. dieser Technik kein Umpumpen von Flüssigkeiten nötig. Auch eine Gefahr der Kristallisation des Lösungsmittels bei zu geringer Kältemittelkonzentration besteht nicht. Dennoch wurden bislang Absorptionskältemaschinen stets den Adsorptionsmaschinen vorgezogen: Die Trockenmaschinen wurden wegen ihres Platzbedarfs und wegen des niedrigen thermischen Wirkungsgrads (COP) als unwirtschaftlich angesehen. Mittlerweile sind sie wesentlich leistungsfähiger und kompakter die in Marburg eingesetzte Maschine misst 0,65 x 1,30 x 1,65 m. Sie ist auf niedrige Antriebstemperaturen ab etwa 60 C ausgelegt und erreicht die angegebene Kälteleistung von 9 kw mit einem COP von 0,6 bei einer Antriebstemperatur von 72/66 C. Die Temperaturen im trockenen Rückkühlkreislauf betragen 27/31,5 C, der Kaltwasserstrom zum Kühlen der Serverschränke ist am Zulauf 14,5 C kalt, die Wiedereintrittstemperatur ins Invensor-Aggregat beträgt 18 C. der BHKWs im Überfluss zur ßenluft gekühlt werden. Es die Systemtrennpumpe haben sieben Monate genutzt wer- Verfügung, da sie nicht zum findet kein Mischbetrieb statt. eine Leistungsaufnahme von den kann: Der Energiebedarf Heizen benötigt wird. Im Früh- Für die freie Kühlung wird der 80 bis 100 W und die EC-Venti- für das gesamte System inklu- ling, Herbst und Winter sinkt Kühlkreislauf über einen By- latoren des Rückkühlers sind so sive Rückkühlventilatoren liegt der Bedarf an Kühlung, sodass pass direkt mit dem Rückküh- geregelt, dass die Temperatur dann bei etwa kwh/a. die Wärme der BHKWs ver- ler gekoppelt und die Kältema- beim Rückkühlen gerade Nenn- mehrt zum Heizen eingesetzt schine überbrückt. Der Ener- temperatur erreicht. Mit sin- Adsorptionskältemaschine werden kann. Die in Marburg giebedarf beschränkt sich kender Außentemperatur wird en miniature realisierte Anlage nutzt zusätz- dann auf die EC-Ventilatoren die Drehzahl und dadurch die lich die freie Kühlung. und die Pumpe. Steigt die Tem- Leistungsaufnahme gesenkt. Kühlung wird sowohl bei ther- peratur wieder, wird der Bypass Im Rahmen einer Diplomarbeit misch als auch bei elektrisch Freie Kühlung für Server ab 14 C geschlossen und das bei Invensor wurde die Leis- betriebenen Kältemaschinen Wasser nimmt den üblichen tungsaufnahme der Ventilato- dadurch erreicht, dass ein Käl- Ab einer Temperaturdifferenz Weg über die Kältemaschine. ren über ein Jahr berechnet: temittel bei möglichst gerin- von mehr als 2 K zwischen Au- Von Oktober bis April kann auf Der ermittelte Jahresverbrauch gen Temperaturen verdampft. ßentemperatur und Kaltwas- diese Weise die Abwärme des von 876 kwh entspricht einer Die Absorptions- und Adsorpti- sersollwert (14,5 C) können BHKWs komplett zur Gebäude- durchschnittlichen Leistungs- onskältemaschinen nutzen die drei Serverschränke mit der beheizung zur Verfügung ge- aufnahme von 100 W. Mit Hilfe Antriebswärme, um den ther- integrierten Free Cooling - stellt werden. einer Temperaturdatenerhe- modynamischen Kreisprozess Funktion der Adsorptionskälte- Der Strombedarf reduziert sich bung konnte gezeigt werden, in Gang zu halten. Dieser phy- maschine direkt gegen die Au- deutlich: Die Kaltwasser- sowie dass die Freie Kühlung über sikalische Prozess wird auch

4 33 Die von Invensor entwickelte Adsorptionskältemaschine LTC 09 versorgt drei Serverschränke im Marburger Rathaus. Die Rückseite der hermetisch abgeschlossenen Serverschränke. Ein Wärmeübertrager sorgt für einen Niveauausgleich der Lufttemperatur. thermischer Verdichter ge- zur Kälte- und Wärmeerzeu- herstellt und deren Integration den Kühl- beziehungsweise nannt, mit Wasser als Kälte- gung eingesetzt. Bemerkens- in vorhandene Systeme ermög- Kältekreislauf (Verbraucher mittel. Sie können so unge- wert hingegen ist der techni- licht. und Kälteverteilung), einen nutzte Wärme, egal ob aus sche Ansatz von Invensor, die Antriebskreis (Wärmequelle klassischen oder alternativen seit einigen Jahren kleine Ma- Gute Abstimmung = geringe und Transport zur Kältema- Energiesystemen, zum Kühlen schinen mit Kälteleistungen Wartung schine) und einen Rückkühl- nutzen. Die Technik selbst ist zwischen 5 und 50 kw (siehe kreis (Ventilatoren, Abgabe der nicht neu: Sorptionsanlagen Kasten So funktioniert die Die Anlage in Marburg besitzt Wärme an die Umgebung). So- werden bereits seit 100 Jahren Adsorptionskältemaschine ) drei verschiedene Kreisläufe: wohl auf der Wärme- als auch FÜHRENDE FACHZEITUNG FÜR DIE LüKK (LÜFTUNG- KLIMA- KÄLTEBRANCHE) Sonderdrucke hoch zwei Spannende Themen aus cci Zeitung und Technik können Sie als Sonderdruck bestellen. Nutzen Sie das hohe Renommé unserer Fachzeitungen zur Information Ihrer Kunden. Mit Eindruck Ihres Logos und Ihrer Adresse! für Kundenmailings als Auslage bei Messen und Veranstaltungen zur Ergänzung Ihres PR-Materials zur Integration in Ihre Website Sie suchen neue Ideen? Wir beraten Sie gerne! Infos bei Mirja Becker Fon +49(0)721/ , Fax -50 oder mirja.becker@cci-dialog.de Ausgewählte Themen aus cci Zeitung und Technik hoch zwei - Artikel mit Ihrem Logo und Ihrer Adresse

5 34 Umweltfreundliche Kältetechnik mit Feststoffen Hohe Investitionskosten, das große Gewicht und Bauvolumen erschweren den Einsatz von Adsorptionskältemaschinen, hieß es einst, auch der niedrige thermische Wirkungsgrad COP ließ diesen Maschinentyp meist unwirtschaftlich werden. Heute werden kleine Sorptionsmaschinen, die bislang selten genutzte Wärme klassischer und alternativer Energiesysteme in Kälte umwandeln, zunehmend gefragt. Die Kunden in südlichen Ländern sind meist Betreiber von Solaranlagen, hierzulande werden immer häufiger Blockheizkraftwerke an die Kältemaschine angekoppelt. Mit Zeolith als Adsorptionsmittel erreichen die LTC -Adsorptionskältemaschinen bereits bei 65 C Antriebstemperatur fast 100 % ihrer Leistung. Wasser dient als umweltfreundliches Kältemittel und minimiert die Wartung. Im Juli 2007 wurde die erste Zeolith-Sorptionsmaschine mit einem Blockheizkraftwerk kombiniert. Auch in Deutschland gibt es Anlagen zur solaren Kühlung, wie auf dem Dach des Bundespresseamts in Berlin, wo eine Solaranlage eine Sorptionskältemaschine antreibt. Sämtliche Invensor-Kältemaschinen sind internetfähig (durch diese Controller-Einbauten rührt der angegebene Stromverbrauch). Über die Online-Schnittstelle können kundenspezifische Wünsche oder Modifikationen schnell ausgeführt werden, egal ob Durchfluss- oder Schaltänderungen, eine neue Regelungsstrategie oder eine andere Kaltwassersolltemperatur. auf der Kälteseite befindet sich jeweils ein Pufferspeicher. Auf der Wärmeseite ist dies notwendig, da das BHKW (Typ Senertec Dachs G 5.5, thermische Leistung 12,5 kw, Wirkungsgrad 61 %) zwar mit einer konstanten Austrittstemperatur von maximal 83 C betrieben wird, der Massenstrom aber von 0,1 bis 1 m³/h variieren kann. Zum kontinuierlichen Arbeiten, so erklärt Frank Schramm aus der Projektabteilung von Senertec in Schweinfurt, benötigt die Adsorptionskälteanlage aber einen möglichst konstanten Volumenstrom von 2 bis 4 m³/h, was einen Pufferspeicher auf der Wärmeseite nötig macht. Eine solche hydraulische Trennung sollte auch auf der Kälteseite vorgesehen werden, falls dort eine ähnlich große Differenz des Volumenstroms zu erwarten ist. Laut den Anlagenplanern ist man in Marburg mit 0,5 m³ Kaltwasser zwischen der Kältemaschine und der Serverkühlung auf der sicheren Seite. Wärmeabfuhr über die Luft Der Rückkühlung kommt eine der wichtigsten Aufgaben zu. Die Wärme der Server sowie die benötigte Antriebswärme werden über den Rückkühler abgeführt. Wäre ein Schwimmbad oder ein anderer Warmwasserverbraucher in der Nähe, könnte man auch diese Wärmeenergie noch nutzen. In Marburg reicht wegen der gemäßigten Außentemperaturen eine geschlossene Rückkühlung ohne Sprühanlage aus, der maximale Stromverbrauch der Pumpen und Kühlventilatoren beträgt dabei knapp 1 kw. Die EC-Ventilatoren laufen laut Invensor nicht bei voller Drehzahl, bei den Pumpen handelt es sich um eine Systemtrennpumpe, ein Aggregat zum Medientransport in Richtung Kältespeicher sowie ein weiteres zum Rücktransport an die Serverkühler. Wirtschaftlicher Anlagenbetrieb Die Anlage im Marburger Rechenzentrum erreicht eine Laufzeit von rund Betriebsstunden pro Jahr. Dadurch summiert sich die Stromproduktion auf 44 MWh, die in der Regel durch den Betrieb der Server aufgebraucht werden. Wenn Überschüsse aus der Stromerzeugung des BHKWs anfallen, werden diese in das Rathausstromnetz eingespeist und verringern die Strombeschaffungskosten. Zusätzlich wird der erzeugte Strom vom öffentlichen Netzbetreiber zehn Jahre lang mit 5,11 Ct/kWh bezuschusst. Auch sonst wird das Projekt in erster Linie durch den enormen KWKK-Förderzuschuss des Landes Hessen wirtschaftlich. So kann man von den Investitionskosten inklusive Backup- Maschine von den Zuschuss von subtrahieren. Die verbliebenen ergeben dann eine tatsächliche Amortisationszeit von drei Jahren und vier Monaten, da die jährliche Einsparung mindestens ausmacht. Würde der Zuschuss wegfallen, erhöhte sich die Zeitspanne bis zur Amortisation auf rund 5,5 Jahre. Zwar summieren sich die jährlichen Wartungskosten des BHKW auf über 2.000, doch der Stromüberschuss des BHKW wird nach dem KWK- Gesetz mit (5,11Ct/ kwh x 44 MWh) vergütet, somit sorgt sogar schon das BHKW allein für schwarze Zahlen. Die Stromkosten reduzieren sich erheblich, da ein knappes Drittel des Stromeigenbedarfs (ohne Kühlung), der sich aus dem Serverbedarf (70 MWh/a) und den Gebäudestromverbrauch (66 MWh/a) zusammensetzt, selbst produziert wird. Für alle Fälle: konventionelles Backup Neben den positiven Umweltund Kostenaspekten spielte die Sicherheit bei der Entscheidung für das System eine wichtige Rolle immerhin hängt der komplette Betrieb der öffentlichen Verwaltung mit allen Anwendungsprogrammen am zentralen EDV-Server. Daher wurde ein Backup installiert. Die mit Netzstrom betriebene Kompressionskältemaschine des italienischen Herstellers Uniflair hat mit 10,8 kw Nennleistung etwa die gleiche Größenordnung wie die Invensor-Maschine und kann bei Spitzenlasten oder bei der Wartung der KWKK-Anlage eingesetzt werden. Für konkrete Zahlen noch zu früh Da die Marburger Anlage erst seit Herbst letzten Jahres in Betrieb ist, liegen noch keine aktuellen Verbrauchszahlen vor.