Data Center – Potenziale und planerische Herausforderungen

Rechenzentren schaffen die Voraussetzungen für eine moderne, agile und skalierbare IT-Infrastruktur des digitalen Zeitalters. Doch Cloud-Technologien, Industrie 4.0 und das Internet of Things haben ihren Preis. Sie lassen die Datenmengen rasant wachsen und haben einen enormen Energiebedarf.

Doch genau wegen ihres grossen Energiebedarfs bieten Data Center auch ein enormes Einsparungspotenzial.

Im Expertengespräch diskutieren Prof. Adrian Altenburger und Michael Reuteler über Energieeffizienz, Herausforderungen und Potenziale von Rechenzentren und darüber, wie uns eine möglichst energieeffiziente Digitalisierung gelingen kann.

In der Schweiz stehen wir im internationalen Vergleich nicht so schlecht da. Dennoch haben wir in bestehenden Zentren gemäss der Studie, die wir vor zwei Jahren machen durften, etwa 46 % Effizienzpotential. Das ist massgebender Teil der Energiefrage in der Schweiz.

Neubauten werden effizienter realisiert als vielleicht noch vor 10 oder 20 Jahren. Aber die Potenziale sind natürlich längst nicht ausgeschöpft. Auch hier können wir auf der thermodynamischen oder elektrotechnischen Seite wahrscheinlich nochmal 20 % einsparen.

Das Faszinierende für mich ist, dass es tatsächlich einer der wenigen Anwendungsfälle ist, der weltweit skalierbar ist. Das ist ein Thema, das nicht nur hier stattfindet, sondern wirklich eine globale Entwicklung abbildet und bei dem ich als Ingenieur einen massgeblichen Teil zur Qualität solcher Data Center beitragen kann.

Die grösste Herausforderung ist sicherlich der enge Terminplan, der um jeden Preis eingehalten werden muss. Um die Vorgabe einhalten zu können, wird überall parallel und mehrgleisig gebaut. Die Pläne kommen auf die Baustelle und die Arbeiten werden umgehend in Angriff genommen. Innerhalb eines Jahres müssen das Gebäude und die gesamte Infrastruktur fertiggestellt sein.

Die diversen Zuständigkeiten und vielen technischen Schnittstellen innerhalb der Projektorganisation stellen aus meiner Sicht die zweite grosse Herausforderung dar.

Aufgrund des sehr engen Zeitplans sind eine schnelle und korrekte Planung und Ausführung ohne viele Änderungen entscheidend. Dies ist sicherlich einer der grössten Unterschiede zum klassischen Hochbau, wo teilweise noch bis weit in die Ausführung entwickelt und geändert wird. Die Ausführungskoordination erfolgt agil mittels der Lean-Methode.

Das ist auch eine Eigenart in diesem Bereich, dass sowohl die Planung als auch die Realisierung einen industriellen Charakter hat. Dass während der Planung oder sogar noch während der Realisierung weitere Wünsche bzw. Anpassungen kommen, gibt es in diesem Bereich viel weniger. Das ist kein Nachteil, sondern einfach der Charakter von Data Centern, die eher eine funktionale Daseinsberechtigung haben und nicht unbedingt eine baukulturelle.

Die Abwärmenutzung innerhalb der Büroflächen von Rechenzentren ist schon länger bekannt, aber die Wärme nach aussen zur Verfügung zu stellen, war lange gar kein Thema, weil die potenziellen Abnehmer auch nicht niedertemperaturfähig waren.

Es ist bemerkenswert, dass wir zum Teil Gigawattstunden an Strom verbrauchen, die beinahe vollumfänglich in Wärme umgewandelt werden, und mit dieser Wärme nichts gemacht wird.

Inzwischen ist es so, dass neue und auch sanierte Bauten, energetisch durchaus nahe diesem Temperaturniveau, das aus einem Rechenzentrum anfällt, sind und diese Abwärme auch nutzbar gemacht werden kann. Wir haben generell eine Transformationsaufgabe im Gebäudepark zu CO₂‑freiem Betrieb.

Das ist ein Thema, das jetzt immer stärker in den Vordergrund rückt. Das heisst nicht, dass es einfach ist. Auch im raumplanerischen Sinn muss es im besten Fall ein Ort sein, wo eben diese Abwärme auch genutzt werden kann. Es nützt nichts, wenn ich sie verfügbar machen kann, aber weit und breit kein Verbraucher ist.

Und es braucht relativ grosse Verbraucher bzw. Abnehmer.

Idealerweise sogar ganzjährig, denn die Abwärme fällt ja nicht nur im Winter an. Die ideale Konstellation wäre beispielsweise ein Rechenzentrum neben einer Vertical Farm, wo wir mit Willers auch aktiv sind, oder in Industrieprozessen.

Bestimmt. Seit den 80er Jahren wurde sich an dieses Thema herangetastet und man ist natürlich gerne auf der sicheren Seite, gerade weil die betriebliche Verfügbarkeit in Rechenzentren einen grossen Stellenwert hat. Da hat es einiges an Grundlagen/Forschungsarbeit gebraucht, um herauszufinden, wie ist das Temperaturniveau und wie weit kann man gehen. Wir brauchen energetisch möglichst hohe Systemtemperaturen, damit ohne mechanische Kälteerzeugung gekühlt werden kann. Das IT-Equipment ist in seiner Lebenszeit auch mit Lufteintrittstemperaturen >27 °C am Server nicht beeinträchtigt.

Dazu gab es in den 90er Jahren schon internationale Studien, bis dann 2003 endlich vom amerikanischen Verband ASHRAE ein erster Standard definiert wurde, übrigens im Austausch mit der IT-Industrie.

Dieser erlaubte damals schon diese 27 Grad Zulufttemperatur als Eintritt in die IT-Equipments. Nur hat er sich 20 Jahre später noch immer nicht etabliert, weil man immer noch in diesen alten Gewohnheiten lebt.

Investition ist weniger wichtig als der Termin in der Realisierung, aber im langfristigen Betrieb ist die Energiekostenfrage schon relevant. Da hilft es natürlich, wenn man höhere Temperaturen zulässt, um auch mit weniger Aufwand diese Wärmesenke mittels freier Kühlung bereitstellen zu können.

Wenn die Zulufttemperaturen in den Datenhallen auf die maximalen Vorgaben erhöht würden und dadurch die Kältemaschinen entfallen könnten, würde sich natürlich die Dachfläche anbieten, um grossflächige Photovoltaik-Anlagen zu installieren. Der Strombedarf ist bekanntlich sehr hoch. Hier sehe ich grosses Potenzial, dieses noch in grösserem Mass (z. B. bei Fassaden) umzusetzen.

Spannend sind auch Gleichstromkonzepte, mit denen Umwandlungsverluste in den diversen AC‑DC‑Wandlern von den Versorgungstransformatoren bis zu den Servern von bis zu 10 % eingespart werden könnten.

Ich sehe unseren Beitrag beim State-of-the-Art-Ansatz. Dass wir das, was technisch möglich ist, energetisch und ressourcenschonend ausschöpfen und uns nach dem fortgeschrittenen Stand der Technik richten und nicht 08/15 umsetzen. Damit können wir einen Beitrag leisten, um nicht nur die Betriebskosten und die Ressourcenfrage optimiert und minimalisiert zu lösen, sondern auch die Investitionen. Wenn ich keine Kältemaschine brauche, weil ich auf einem höheren Niveau kühlen kann, dann spare ich in der Investition die Kältemaschine, welche auch im Betrieb deutlich mehr Strom benötigen würde als das Free-Cooling. Diese Win-win-Situation ist eigentlich selbsterklärend, aber nicht unbedingt auf Anhieb von allen verständlich nachvollziehbar. Deshalb braucht es uns als Systemingenieure. Wir müssen gesamtheitlich, sowohl konzeptionell als auch in der Umsetzung, hocheffizient und mit guter Qualität sicherstellen, dass der Betrieb nicht nur funktioniert, sondern möglichst effizient stattfinden kann.