Klimatisierung im Data Center: F-Gase vs. natürliche Kältemittel

Kühlung von Rechenzentren
Umstieg auf klimafreundlichere Kühlung im Rechenzentren braucht klare Regeln (Abb. © Production Perig/stock.adobe.com).

Die Gesetze sind hinsichtlich des Einsatzes von brennbaren natürlichen Kältemitteln restriktiv, komplex und teilweise nicht klar genug. Das führt zu Unsicherheit und hohen Kosten in der Umsetzung. Planer, Anlagenbauer und Rechenzentrumsbetreiber aber brauchen Rechtssicherheit, um den Umstieg auf klimafreundlichere Anlagen bewerkstelligen zu können.

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Verfasser des nachfolgenden Beitrags ist Thomas Rabensteiner, Planung Rechenzentrum bei der auf Planung, Bau und Wartung von Rechenzentren spezialisierte Prior1 GmbH in Sankt Augustin.

Klarere Gesetze und Normen würden den Umgang mit den Risiken erleichtern

Um den Umstieg auf natürliche Kältemittel in Klimaanlagen in Rechenzentren zu beschleunigen, wäre eine Überprüfung der gesetzlichen Vorgaben und Normen begrüßenswert. Die Gesetze sind hinsichtlich des Einsatzes von brennbaren natürlichen Kältemitteln restriktiv, komplex und teilweise nicht klar genug, was zu Unsicherheit und hohen Kosten in der Umsetzung führt. Planer, Anlagenbauer und Rechenzentrumsbetreiber aber brauchen Rechtssicherheit, um den Umstieg auf klimafreundlichere Anlagen bewerkstelligen zu können.

Rechenzentren müssen gekühlt werden. Denn die Server und IT-Anlagen, die in Rechenzentren betrieben werden, erzeugen Wärme. Gleichzeitig können diese Geräte nur unter bestimmten Temperatur- und Feuchtegrenzen am Einsatzort ausfallsicher laufen. Soll also eine geringe Ausfallwahrscheinlichkeit garantiert werden, kommt kein Rechenzentrum hierzulande ohne Klimatisierung mittels Kältetechnik auf Basis eines thermodynamischen Prozesses aus, welcher in der Regel mehr oder weniger klimaschädigendes Kältemittel benötigt. Die dafür eingesetzten Klimageräte erzeugen zwei Arten von CO2-Emmissionen:

  • indirekte, die durch den Stromverbrauch zum Betrieb der Kältemaschine hervorgerufen werden.
  • direkte, wenn das Kältemittel, das für die Kälteerzeugung benötigt wird, zum Beispiel durch Leckage oder durch Wartung unkontrolliert in die Umgebung entweicht.

In der Vergangenheit hatten die indirekten Emissionen stets das größere Gewicht, da zum Beispiel Strom aus Kohle eine hohe Umweltbelastung mit sich bringt. Hier hat sich in den letzten Jahren viel zum Guten geändert, da einerseits die Energieeffizienz der Anlagen verbessert wurde und andererseits immer mehr Strom aus regenerativen Quellen zur Verfügung steht. Das hat zur Folge, dass die direkten Emissionen zunehmend ins Blickfeld geraten.

F-Gase versus natürliche Kältemittel

Die Kältemittel, die in Klimageräten eingesetzt werden, sind in der Regel sogenannte fluorierte oder teilfluorierte Kohlenwasserstoffe (HFKW), die oft ein hohes Treibhauspotenzial aufweisen. Diese fluorierten Gase (kurz F-Gase genannt) werden von großen Chemieunternehmen synthetisch unter hohem Energieaufwand hergestellt und auf dem Weltmarkt vertrieben. Gemessen wird das Treibhauspotential der Kältemittel mit der Kennzahl GWP (Global Warming Potential). GWP drückt die Erwärmungswirkung einer bestimmten Menge eines Treibhausgases über einen festgelegten Zeitraum aus und ermöglicht somit einen Vergleich mit der Erwärmungswirkung von CO2.
Zum Vergleich: Eine Kältemaschine mit 30 kW Kälteleistung benötigt in etwa eine Kältemittel-Füllmenge von 5 kg, beispielsweise eines gängigen HFKW-Kältemittels (R410A, GWP = 2.088 kg CO2-Äquivalent pro kg). Diese Füllmenge an Kältemittel hat ein äquivalentes Treibhauspotenzial ähnlich dem eines Fahrzeugs, das 80.000 km an Fahrtstrecke mittels fossilen Brennstoffes zurücklegt, also fast zweimal die Welt umrundet (angenommen 130 g CO2-Emission pro km Fahrtstrecke eines herkömmlichen PKWs). Eine Kältemaschine mit einer Füllmenge von 5 kg eines natürlichen Kältemittels, zum Beispiel Propan (R290), hat ein Treibhauspotenzial ähnlich dem eines Fahrzeugs, das etwa 110 km an Strecke zurücklegt.

Phase down FKW
Höchstmenge (%) für das Inverkehrbringen teilfluorierter Kohlenwasserstoffe (HFKW) für die Jahre 2015-2030 (Abb. © Umweltbundesamt).

Ergänzungen durch den Autor

Mit den nachfolgenden Zeilen möchte ich besonders auf den letzten Absatz des Kommentars von Dr. Stahl zu meinem obigen Beitrag eingehen.

In der Regel werden Rechenzentren bei der Prior 1 GmbH auf eine Außentemperatur von 42 °C (Tendenz steigend) ausgelegt. Rechenzentren im Bereich von 100 kW und aufwärts arbeiten oft auf Basis von gekühltem Kaltwasser mit Wassertemperaturen von 26/20°C und dem Einsatz von indirekter Freier Kühlung. Dies hat sich als sehr effizient erwiesen und deckt andere Forderungen von Rechenzentren ab, welche nicht direkt mit der Kühlung zu tun haben (z. B. Angreifbarkeit Rechenzentrum bei direkter Freie Kühlung durch Rauch im Außenbereich). Dabei mag die Höhe der gewählten Außentemperatur diskutabel sein. Aber es zeigt sich immer wieder, dass solch hohe Außentemperaturen auf Dächern zum einen aus Gründen von ungünstigem Untergrund (z.B. Bitumen) und zum anderen aus Gründen der inzwischen spürbaren Wetterextreme durch den Klimawandel auftreten und wahrscheinlich noch verstärkter auftreten werden. Kritische Infrastruktur, zu denen Rechenzentren zählen, müssen diesen Bedingungen standhalten.

Bei solch hohen Außentemperaturen ist eine Rechenzentrumskühlung durch reine Verdunstungskühlung, soweit mein Kenntnisstand, in Deutschland nicht umsetzbar, wenn Rahmenbedingungen (z.B. 25 °C Kaltgangtemperatur = Zulufttemperatur Server) vertraglich eingehalten werden müssen. Und bitte vergessen Sie hier nicht den Bestand. In dieser Gattung ist oft mit Zulufttemperaturen weit unter 20 °C zu rechnen.

Genanntes führt beispielsweise bei Kaltwasser-basierten Anlagen zu folgender Situation:

– Es müssen Kältemaschinen bzw. je nach Anwendung andere Kompressions-Kälteanlagen ausgelegt werden, welche an sehr wenigen Stunden im Jahr laufen werden, da der effiziente Anlagenbetrieb den Einsatz von Freier Kühlung gebietet. Es ergibt sich unter genannten idealen Rahmenbedingungen beispielsweise am Standort Ulm und Neubau folgender Einsatz an Kühlgeräten zur Wärmeabfuhr: 85 % indirekte Freie Kühlung, 12 % Mischbetrieb = freie Kühlung und Kompressionskälte, 3 % reine Kühlung über Kompressionskälte

– Die Kältemaschinen sind, ob ihrer hohen Auslegungstemperatur von z.B. 42 °C, sehr üppig in ihrer Nennleistung dimensioniert und laufen daher, wenn sie laufen, meist im Schwachlastbetrieb.
Ganz klar ist eine Aufteilung in mehrere Maschinen möglich, aber es entscheiden leider immer auch die Kosten mit, was oft zum Einsatz weniger, aber größeren Maschinen führt.

– Je nach Redundanzansatz stehen bei einem Rechenzentrum mehr Leistung auf dem Gelände, als je in der Summe gebraucht wird. Beim Verfügbarkeit-Ansatz 2N entspricht dies dem Doppelten der wirklichen Kälteleistung.

Es ergibt sich folgende Situation:

Wir haben in Rechenzentren sehr hohe Leistungsdichten an installierter kältetechnischer Leistung. Da die Laufzeit der Geräte im Jahr gering ist, nimmt der Anteil an direkten Kältemittel-Emissionen im Vergleich zu den Emissionen, hervorgerufen durch den Stromverbrauch, deutlich zu und ich kann an der Stelle dem TEWI-Ansatz aus dem Kommentar leider nicht folgen.

Zudem bitte nicht vergessen, dass zusätzlich zu dem Leckage-Verlusten am Ende der Kältemaschinen-Lebensdauer immer eine Kältemittel-Entsorgung steht, welche auch Entsorgungsverluste mit sich bringt.

Mit der Treibhausgasberichterstattung gemäß UN-Klimarahmenkonvention (UNFCCC) werden jedes Jahr auch F-Gas- bzw. HFKW-Emissionen berichtet (National Inventory Report, NIR).
Für das Jahr 2018 wurden hierfür folgende Werte für die einzelnen Anlagentypen zu Grunde gelegt:

Leckagen prior1

Veröffentlicht wurden diese Angaben im NIR 2020, den Sie hier finden können: https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/1410/publikationen/2020-04-15-climate-change_22-2020_nir_2020_de.pdf (Kapitel 4.7, Seite 380 ff.). Diese Werte sind aus meiner Sicht nicht gerade erbauend.

Nach meinem Empfinden greift an dieser Stelle der klassische TEWI-Kennwert nicht wirklich auf die in Wahrheit auftretenden Werte zu, wenn die Rahmenbedingungen für die Berechnungen nicht konkretisiert bzw. angepasst werden. Es bedarf aus meiner Sicht eines Umdenkens.
Thomas Rabensteiner, Planung Rechenzentrum, Prior1

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