Technologievergleich, Voraussetzungen und ... - PowerBuilding
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Rechenzentrumskühlung<br />
Technologien, <strong>Voraussetzungen</strong> <strong>und</strong> Einsatzgrenzen<br />
Dr. Rainer Weidmann<br />
Detecon International GmbH<br />
Zürich, 29.05.2013<br />
We make ICT strategies work
Agenda<br />
Überblick Technik<br />
• Natürliche Resourcen<br />
• Technische Verfahren<br />
• Anwendung<br />
Beispiel: Kostenbewertung
Übersicht Technik<br />
Nutzung natürlicher Ressourcen<br />
• Erdwärme<br />
• Gr<strong>und</strong>wasser<br />
• Oberflächenwasser<br />
• Regenwasser<br />
• Wind<br />
• Luft<br />
• Biomasse<br />
• Solar<br />
Technische Verfahren zur<br />
Kälteerzeugung<br />
• Kompressionskältemaschinen<br />
• Thermische<br />
Kältemaschinen<br />
• Kraft-Wärme-<br />
Kopplung<br />
• Innovationen<br />
Anwendung im RZ<br />
• Einhausung<br />
• Volumenstrom<br />
• Temperaturen<br />
• Freie Kühlung
Natürliche Ressourcen - Erdwärme<br />
Erdwärme<br />
Geothermie<br />
trocken<br />
• Stromerzeugung<br />
• Wärme für<br />
Absorptionskälte<br />
Technik<br />
• Hot-Dry-Rock-Verfahren<br />
• Nutzung der Erdwärme, Tiefe von 3000 – 6000m<br />
• Zwei Bohrlöcher<br />
• Bohrung 1: Einpressen von kaltem Wasser unter<br />
hohen Druck (bis 150 bar) ins Gestein<br />
• Es erfolgt ein Wärmeübergang von heißem<br />
Gestein im Erdinneren auf das Wasser<br />
• Bohrung 2: Entnahme des erwärmten Wasser<br />
• z.B. Bohrtiefe von 6000 m Temperaturniveau bis 200°C<br />
• Dampftemperaturen von ca. 180°C möglich.<br />
Rahmenbedingungen<br />
• Der Energieaufwand für Pumpen.<br />
• Ausreichend erhitzbares Wasser.<br />
• Seismische Aktivitäten können ausgelöst werden.<br />
• keine Berechnungen zur Wirtschaftlichkeit<br />
• keine längeren Betriebserfahrungen mit Strom- <strong>und</strong><br />
Heisswassererzeugung.
Natürliche Ressourcen - Beispiel Geothermie<br />
Bohrtiefen <strong>und</strong> Thermalwassertemperaturen<br />
Quelle: www.geothermie-unterhaching.de
Natürliche Ressourcen - Gr<strong>und</strong>wasser<br />
Gr<strong>und</strong>wasser<br />
Geothermie, thermal<br />
• Nutzung von Thermalwasser<br />
• Bekanntes Verfahren<br />
• es sind Tiefenbohrungen erforderlich<br />
• es gibt nur wenige Heißwasserlagerstätten<br />
• Heißwasserlagerstätten sind endlich<br />
Geothermie<br />
(Thermal)<br />
Kaltwasser/<br />
Kühlwasser/<br />
Benetzungswasser<br />
Kaltwasser/Kühlwasser<br />
• Nutzung des Gr<strong>und</strong>wasses zur direkten Kühlung<br />
• Rückspeisung ins Gr<strong>und</strong>wasseraquifer<br />
• ausreichende Gr<strong>und</strong>wasseraquifer<br />
• Genehmigungsfähigkeit<br />
• Stromerzeugung<br />
• Wärme für<br />
Absorptionskälte<br />
• Wasserentnahme<br />
• Wasseraufbereitung<br />
Benetzungswasser<br />
• Verdunstungskälte des Gr<strong>und</strong>wassers<br />
• Besprühen <strong>und</strong> Benetzen der Rückkühler<br />
• keine Rückführung des Wassers, 90% Verdunstung<br />
• Beeinträchtigung des Gr<strong>und</strong>wasserspiegels<br />
• Genehmigungsfähigkeit<br />
• Wasseraufbereitungsanlage (offenes Systems)
Natürliche Ressourcen - Oberfächenwasser<br />
Oberflächenwasser/<br />
fließende Gewässer<br />
Wasserkraft<br />
• potentielle <strong>und</strong> kinetische Energie des Wassers<br />
• Stromerzeugung<br />
• Wasserkraftanlage, Laufkraftwerk, Strom selbst genutzt<br />
• Absturzhöhe 10m: Gewinn<br />
• Absturzhöhe 5m: Verlust<br />
Wasserkraft<br />
• Stromerzeugung<br />
Kühlwasser/<br />
Benetzungswasser<br />
• Wasserentnahme<br />
• Wasseraufbereitung<br />
Kaltwasser/Kühlwasser<br />
• Kaltwasser: Temperaturschwankungen bzw. hohe<br />
Temperaturen in den Sommermonaten kritisch.<br />
• Kühlwasser: Wasserentnahme zur Kühlung der<br />
Kältemaschinen. Rückführung in das Gewässer.<br />
• starke ökologische Beeinträchtigungen an der<br />
Entnahmestelle.<br />
Benetzungswasser<br />
• Verdunstungskälte des Wassers.<br />
• Besprühen <strong>und</strong> Benetzen der Rückkühler.<br />
• starke ökologische Beeinträchtigungen an der<br />
Entnahmestelle
Natürliche Ressourcen - Regenwasser<br />
Regenwasser<br />
Kühlwasser/<br />
Benetzungswasser<br />
Kühlwasser<br />
• schwankenden Temperaturen<br />
• geringen Mengen<br />
• Nutzung von Regenwasser nicht realistisch.<br />
• Wasserentnahme<br />
• Wasseraufbereitung<br />
• Benetzungswasser<br />
• Sammeln von Regenwasser nur Nutzung als<br />
Verdunstungswasser bei Rückkühlern<br />
• Geringe Wassermenge
Natürliche Ressourcen - Wind<br />
Wind<br />
Windrad<br />
• Energieerzeugung<br />
• kein konstanter Energiefluss<br />
• tageszeitliche <strong>und</strong> jahreszeitliche<br />
Schwankungen<br />
• Wirtschaftlichkeit hängt unmittelbar vom<br />
Standort ab<br />
• sinnvolle Nutzung ab einer mittleren<br />
Windstärke von 4-5m/s (leichte Brise)<br />
Stromerzeugung
Natürliche Ressourcen - Luft / Außenluft<br />
Luft/Außenluft<br />
Technik:<br />
• direkte Nutzung Außenluft zur Kühlung<br />
• keine Klimaschränke nötig.<br />
• luftgekühlte Kaltwassererzeuger bei<br />
hohen Außentemperaturen.<br />
• Kühlregister der Lüftungsgeräte<br />
• direkte Kühlung der<br />
Server-Räume<br />
• Außenluftkonditionierung<br />
• Umluftbetrieb<br />
Rahmenbedingungen<br />
• Anlage kann ca. 79% des Jahres ohne<br />
Kälteerzeugung betrieben werden.<br />
• Wirtschaftlichkeit ist sehr von den<br />
Feuchtevorgaben abhängig.<br />
• relativ großer Flächenbedarf<br />
• keine wassergekühlte Rechner.<br />
• Umgebungsrisiken
Natürliche Ressourcen - Biomasse<br />
Biomasse<br />
• Stromerzeugung<br />
• Kraft-Wärme-Kopplung<br />
• Energieträger durch chemische<br />
Bindungsenergie (Photosynthese).<br />
• Biomassenutzung unterscheidet man in<br />
feste, flüssige <strong>und</strong> gasförmige<br />
Bioenergieträger<br />
biogene Festbrennstoffe<br />
• Dampfturbine, hoher Anlagenaufwand<br />
Flüssige Brennstoffe<br />
• direkter Antrieb von Agregaten – BHKW<br />
(Strom wird selbst genutzt)<br />
Gasförmige Brennstoffe<br />
• BHKW (Strom selbst genutzt)<br />
• Brennstoffzelle (Strom selbst genutzt)
Natürliche Ressourcen - Solartechnik<br />
Solarthermie<br />
•Kraft-Wärme-<br />
Kopplung<br />
• direkter Antrieb<br />
Absorptionskältemaschinen<br />
Solar<br />
Photovoltaik<br />
• Stromerzeugung<br />
• Wasserstofferz.<br />
• Nutzung der Sonnenenergie<br />
• regionale Unterschiede bei der Solarstrahlung<br />
• Kein konstanter Energiefluß,<br />
• Tages- <strong>und</strong> jahreszeitliche Schwankungen<br />
• Zwischenspeicherung der Energie erforderlich<br />
Solarthermie<br />
• Sammlung Sonnenwärme mittels Kollektoren.<br />
• Wärme für weiterführende Prozesse z.B.<br />
Dampfprozess, Absorptionskälteprozess<br />
Photovoltaik<br />
• Direkte Umwandlung in elektrischen Strom<br />
• Gesamtwirkungsgrad bei ca. 12%<br />
• Einspeisung über Wechselrichter ins Stromnetz<br />
• Speicherung in Form von Wasserstoff möglich<br />
(Elektrolyse)
Technik - Kompressionskältemaschinen<br />
Kompressionskältemaschinen<br />
Verdichter<br />
Direktverdampfer<br />
• Verdrängungsmaschinen<br />
• Strömungsmaschinen<br />
• Kompressionskälte<br />
• Verdichter für Arbeitsleistung <strong>und</strong><br />
Kältemitteltransport<br />
• wassergekühlte <strong>und</strong> luftgekühlte<br />
Kältemaschinen<br />
Kältemaschinen, Verdampfer<strong>und</strong><br />
Verflüssigerseite räumlich<br />
getrennt.
Technik - Thermische Kältemaschinen<br />
Thermische Kältemaschinen<br />
Absorption<br />
Adsoption<br />
Antriebsmedium<br />
Wirkungsgrade<br />
Absorptionskältemaschine<br />
• kein Verdichter<br />
• äußere Wärmezufuhr um<br />
Kälteprozess anzutreiben.<br />
Adsorptionskältemaschine<br />
• kein Verdichter<br />
• äußere Wärmezufuhr um den<br />
Kälteprozess anzutreiben.<br />
• hochporöses Adsorbtionsmittel.
Technik - Kraft-Wärme-Kopplung<br />
• Brennstoffenergie wird mechanisch <strong>und</strong> thermisch genutzt<br />
• Nutzung von Abwärmen<br />
• Hohe Nutzungsgrade sind möglich<br />
Kraft-Wärme-Kopplung<br />
Motoren<br />
Turbinen<br />
Brennstoffzelle<br />
• Gas-, Dieselmotoren, Turbinen<br />
• Generator<br />
• Nutzung Abwärme<br />
• Absorptionskältemaschinen<br />
• Brennstoffe: Erdgas, Biogas, Diesel, etc.<br />
• reverser Prozeß Elektrolyse<br />
• Wasserstoff <strong>und</strong> Sauerstoff<br />
• kein Generator.<br />
• Abwärme (Hochtemperatur-BZ)<br />
• Absorptionskältemaschinen<br />
• Motorentechnik<br />
• Brennstoffe<br />
• Wirkungsgrade<br />
• Abgastemperaturen<br />
• Abwärmenutzung
Technik - Beispiel Brennstoffzelle<br />
DC/AC-Inverter<br />
Gas (CH 4 )<br />
DC<br />
AC<br />
= ~ Data Center<br />
MCFC<br />
Abwärme<br />
Klimatisierung<br />
IT-Room<br />
Servers<br />
Storage<br />
Absorptionskältemaschine
Technik - Brennstoffzelle - Daten<br />
Whole electrical power<br />
250kW<br />
Useful electrical power<br />
238 kW (12kW auxiliary power)<br />
Thermal power<br />
180 kW<br />
Electrical efficiency factor > 47%<br />
Overall efficiency > 90%
Technik - Innovation<br />
Innovation<br />
• Polymerelektronik für<br />
Solaranwendungen<br />
• Biokraftstoffe 2.Generation<br />
• Batterieentwicklung<br />
• Brennstoffzellenentwicklung<br />
• Stirlingmotor
20130529_RZ-KÜHLUNG_RW_DTC.PPTX<br />
© Detecon<br />
Datacenter 2020 Project (www.datacenter2020.de)<br />
Hot/Cold Aisle Room Layout – Status Quo<br />
18°C : 64°F<br />
22°C : 72°F<br />
24°C : 75°F<br />
ΔQ = c v × Δm × ΔT<br />
PUE typ =2,20 …1,80<br />
Air short circuit<br />
T 2 = 24°C<br />
Hot aisle Cold aisle Hot aisle<br />
leakage<br />
T A = 22°C<br />
ΔT = 6K<br />
(ΔQ = c v × m × dT)<br />
CRAC Unit<br />
Fan<br />
100%<br />
Leakage<br />
Leakage<br />
Raised Floor<br />
T 1 = 18°C<br />
p = 16pa<br />
– 19 –
20130529_RZ-KÜHLUNG_RW_DTC.PPTX<br />
© Detecon<br />
Datacenter 2020 Project (www.datacenter2020.de)<br />
Leakage Reduction – Cold-Aisle Containment – Fan Speed Adjustment<br />
21°C : 70°F<br />
22°C : 72°F<br />
38°C :100°F<br />
ΔQ = c v × Δm × ΔT<br />
PUE typ =1,40 …1,30<br />
Cold aisle<br />
T 2 = 38°C<br />
Hot aisle<br />
leakage<br />
T A = 22°C<br />
Hot aisle<br />
ΔT = 17K<br />
(ΔQ = c v × m × dT)<br />
CRAC Unit<br />
Fan<br />
30%<br />
Raised Floor<br />
T 1 = 21°C<br />
p = 4pa<br />
– 20 –
20130529_RZ-KÜHLUNG_RW_DTC.PPTX<br />
© Detecon<br />
Datacenter 2020 Project (www.datacenter2020.de)<br />
Leakage Reduction – Cold-Aisle Containment – Fan Speed Adjustment – Temperature<br />
26°C : 79°F<br />
27°C : 81°F<br />
45°C :113°F<br />
ΔQ = c v × Δm × ΔT<br />
PUE typ =1,30 …1,25<br />
Cold aisle<br />
T 2 = 45°C<br />
Hot aisle<br />
leakage<br />
T A = 27°C<br />
Hot aisle<br />
ΔT = 19K<br />
(ΔQ = c v × m × dT)<br />
CRAC Unit<br />
Fan<br />
30%<br />
Raised Floor<br />
T 1 = 26°C<br />
p = 4pa<br />
– 21 –
Datacenter 2020 Project (www.datacenter2020.de)<br />
Overview - Yearly Temperature Gradation - Munich<br />
temperature gradation<br />
500,00<br />
450,00<br />
400,00<br />
350,00<br />
300,00<br />
250,00<br />
temperature gradation<br />
200,00<br />
150,00<br />
100,00<br />
50,00<br />
-<br />
35<br />
33<br />
31<br />
29<br />
27<br />
25<br />
23<br />
21<br />
19<br />
17<br />
15<br />
13<br />
11<br />
9<br />
7<br />
5<br />
3<br />
1<br />
-0<br />
-2<br />
-4<br />
-6<br />
-8<br />
-10<br />
-12<br />
-14<br />
-16<br />
-18<br />
-20<br />
-22<br />
-24
Datacenter 2020 Project (www.datacenter2020.de)<br />
Hours of Operation (Loc. Munich) - Free Cooling Period<br />
100%<br />
90%<br />
80%<br />
70%<br />
Status Quo Improvement I Improvement II<br />
T A = 22°C T A = 22°C<br />
T A = 27°C<br />
3147<br />
5034<br />
8°C : 46°F<br />
14°C : 57°F<br />
20°C : 68°F<br />
22°C : 72°F<br />
27°C : 81°F<br />
60%<br />
50%<br />
40%<br />
3683<br />
7146<br />
Hybrid Heat Exchanger "Dry"<br />
Hybrid Heat Exchanger "Wet"<br />
Chiller<br />
30%<br />
20%<br />
10%<br />
0%<br />
3132<br />
1936<br />
1533<br />
600<br />
87<br />
8°C w ater supply temperature 14°C w ater supply temperature 20°C w ater supply temperature
Beispiel: Gr<strong>und</strong>lage Klimamodell für Rechenzentren<br />
Min. Feuchte: 6,2<br />
g/kg tr. Luft<br />
Ablufttemperatur 28 °C<br />
Zulufttemperatur 18 °C<br />
Max. Feuchte: 10<br />
g/kg tr. Luft<br />
Klimamodell 3K1 IEC 721-3-3<br />
Klimamodell VDI 2054<br />
Grenzwerte T-Systems
Beispiel: Kosten / Gr<strong>und</strong>lagen<br />
•Rechenzentrum Nettofläche 10.000 m²<br />
•Kälteleistung gesamt 50.000 kW<br />
•Aufteilung in Module<br />
- 400 m² = 1 Modul (20 m x 20 m = Dachfläche)<br />
- 300 m² = Aufstellfläche Server-Racks pro Modul<br />
- 100m² = Aufstellfläche Technik pro Modul<br />
•Kühllast max. pro Modul 1500 kW<br />
•Spezifische Kühllast luftgekühlte Server-Racks 3 kW/m² (max. Luftkühlung pro Modul daher 900 kW)<br />
•Spezifische Kühllast wassergekühlte Server-Racks 10-15 kW/m²<br />
•Anzusetzende Stromkosten 0,1 €/kWh<br />
•Anzusetzender Gaspreis 0,46 €/m³<br />
•Angesetzter Wasserpreis (Referenzwert von München) 1,43 €/m³<br />
•Angesetzter Abwasserpreis (Referenzwert von München) 1,56 €/m³<br />
•Einheitliches Klimamodell<br />
•Angesetzte Betriebsst<strong>und</strong>en/Jahr der Kältetechnik: 8760 h/a<br />
•Verfügbarkeitsklasse: äquivalent Tier III<br />
•Kalkulationszinsatz: 8%
Beispiel: Ziele<br />
Primäre Ziele<br />
• Kostenreduzierung durch Energieeffizienz<br />
• Versorgungssicherheit / Verfügbarkeit (externe Medien)<br />
• Anlagensicherheit<br />
• Genehmigungsfähigkeit<br />
• Nachhaltigkeit / Umweltschonende Verfahren (Green-IT)
Beispiel: Fazit<br />
Luftgekühlte Turbocor-Kältemaschine<br />
Wassergekühlte Turbocor-Kältemaschine, hybrider Rückkühler, Freikühlfunktion<br />
Motor-BHKW mit Erdgasnutzung, Absorptionskältemaschine<br />
Motor-BHKW mit Biogasnutzung, Absorptionskältemaschine<br />
Motor-BHKW mit Pflanzenölnutzung, Absorptionskältemaschine<br />
Luftgekühlte Schrauben-Kältemaschine mit Freikühlfunktion:<br />
Wassergekühlte Schrauben-Kältemaschine, trockener Rückkühler, Freikühlfunktion<br />
Wassergekühlte Schrauben-Kältemaschine, hybrider Rückkühler,<br />
Freikühlfunktion, Gr<strong>und</strong>wasser als Benetzungswasser<br />
Wassergekühlte Schrauben-Kältemaschine, Gr<strong>und</strong>wasser als Kühlwasser<br />
Direktverdampfer-Klimaschränke<br />
Direkte Aussenluftkühlung, ohne Befeuchtung<br />
Direkte Aussenluftkühlung, mit Befeuchtung<br />
Gr<strong>und</strong>wasser zur Kaltwassernutzung (12°C/15°C)<br />
Gr<strong>und</strong>wasser zur Kaltwassernutzung (12°C/18°C)<br />
Gr<strong>und</strong>wassernutzung thermal, dampfbetriebener Absorptionskältemaschine<br />
0 0,05 0,1 0,15 0,2<br />
Arbeitspreis Kälte [€/kWh]
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!<br />
Contact:<br />
Dr. Rainer Weidmann<br />
Detecon International GmbH<br />
Dingolfinger Str. 1-15<br />
81673 Munich / Germany<br />
Tel.: +49 171 4313763<br />
rainer.weidmann@detecon.com
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