»Es kann doch nicht angehen, dass für jedes Kilowatt, das an die CPUs und GPUs geht, ein Kilowatt nur für deren Kühlung erforderlich ist«, klagte manage it-Chefredakteur Albert Absmeier noch im Editorial der Ausgabe 1-2 zu Beginn des Jahres, wies auf die technische Machbarkeit einer PUE (Power Usage Effectivness) von 1,2 hin und mahnte eine Modernisierung der Rechenzentren an. Rittal als Lösungsanbieter von IT-Infrastrukturen hat nun mit dem Liquid Cooling Package (LCP) Hybrid eine Lösung entwickelt, die ohne eigene Energieaufnahme auskommt und dank Heat-Pipe-Technologie weltweit einmalig ist.
Die Weltneuheit unter dem Namen Blue e+, die auch in der Industrie bei der Klimatisierung von Schaltschränken zur Anwendung kommt, verspricht eine Energieeinsparung von 75 Prozent. Bernd Hanstein, Vice President Product Management IT Solutions, und Steffen Wagner, Head of Product Management Climate Control, erklären, wie das funktioniert.
Herr Wagner, unter der Überschrift »World’s First« hat Rittal auf der Hannover Messe die neue Kühlgeräte-Serie Blue e+ für die Schaltschrank-Klimatisierung vorgestellt. Was steckt dahinter?
Steffen Wagner: Rittal hat im Bereich der Schaltschrank-Klimatisierung erstmals zwei bekannte Technologien, nämlich die Heat-Pipe-Technologie sowie die klassische Kältekompression, miteinander kombiniert und daraus eine Hybridlösung geschaffen, die hinsichtlich Energieeffizienz neue Maßstäbe setzt. Oftmals gibt es in der Industrie Temperaturspitzen von 35 Grad und mehr, bei denen man entweder auf die Kühlung durch Lüfter oder durch ein Kühlgerät setzt. In unserer Hybridlösung haben wir beide Technologien kombiniert und erzielen damit eine Effizienz, die kaum noch zu überbieten ist. Dieses Prinzip haben wir auf der Hannover Messe unter dem Namen Blue e+ weltweit als erstes Unternehmen präsentiert. Darum: World’s First.
Wie effizient kühlen Sie denn jetzt?
Wagner: Wir messen uns mit den effizientesten Kühlgeräten im Schaltschrankbereich, die es auf dem Markt gibt. Im Vergleich sparen wir nachweislich rund 75 Prozent Energie ein, das haben verschiedene Teststellungen in der Automobilindustrie und im klassischen Werkzeugmaschinenbau ergeben. Wir testen seit mehr als einem halben Jahr und haben die Werte über den gesamten Zeitraum ermittelt.
Erläutern Sie uns bitte die Funktionsweise?
Wagner: Das Kältemittel, das sich im unteren Teil der Heat Pipe befindet, wird durch die warme Abluft der Maschine erwärmt und verdunstet. Dabei entzieht es der Umgebung Wärme – Verdunstungskälte – und kühlt so das System. Das gasförmige Kältemittel kondensiert im oberen Teil der Heat Pipe, der sich außerhalb des zu kühlenden Schranks befindet. Dabei wird es wieder flüssig und fließt – aufgrund der Schwerkraft – zurück. Damit entsteht ein kontinuierlicher Kreislauf.
Es ist jedoch nicht immer eine niedrigere Umgebungstemperatur als die gewünschte Innentemperatur im Schaltschrank vorhanden. Ist die Außentemperatur zu hoch, muss die klassische Kompressionskälte zugeschaltet werden. Was sonst die Heat Pipe übernimmt, ist hier mit der elektrischen Komponente erreichbar, nämlich Druckerzeugung und Verdunstung des Kältemittels.
Diese Technologie hat sicher auch Auswirkungen auf den Schadstoffausstoß?
Wagner: Richtig. Schätzungen zufolge sind in Europa etwa zwei Millionen Geräte im Einsatz, die Schaltschränke im Industriebereich kühlen. Nehmen wir eine Aufnahmeleistung von etwa 1,2 kW an, entspricht dies einem CO2-Ausstoß von circa vier Millionen Tonnen. 75 Prozent Energieeinsparung bedeuten dann auch die Einsparung von drei Millionen Tonnen CO2 – allein durch den Umstieg auf die neuste Technologie.
Wo sehen Sie den Haupteinsatzbereich der neuen Technologie?
Wagner: Der klassische und größte Absatzmarkt ist der Werkzeugmaschinenbau. Unser Schwerpunkt ist allerdings derzeit die Automobilindustrie. Sie ist der Endanwender, der von der hohen Energieeinsparung am meisten profitiert. Unsere direkten Kunden, die Schaltschrank- und Werkzeugmaschinenbauer, bekommen als Lieferanten der Automobilindustrie aber genaue Vorschriften, welche Geräte zum Einsatz kommen sollen.
Der Volkswagen-Konzern hat sich beispielsweise zum Ziel gesetzt, bis 2018 den Energieverbrauch in der Fahrzeugproduktion um 25 Prozent zu senken. Bei einem Kilowattstundenpreis von 10 Cent bedeutet dies Einsparungen von über 600 Millionen Euro pro Jahr bei den Energiekosten. Dazu leisten die Kühlgeräte einen beträchtlichen Beitrag.
Bei der Schaltschrank-Klimatisierung wurden erstmals zwei bekannte Technologien, nämlich die Heat-Pipe-Technologie sowie die klassische Kältekompression, miteinander kombiniert. Die Hybridlösung setzt bei der Energieeffizienz Maßstäbe.
Rittal schließt sich mit der neuen Gerätegeneration dem Trend zur Industrie 4.0 an. Was hat es damit auf sich?
Wagner: Wir betrachten Industrie 4.0 aus der Perspektive der Wertschöpfungskette. Das heißt: Bei den Kühlgeräten stellen wir die entsprechenden Daten zur Verfügung, das sind die Softwaredaten für die Konfiguration der Geräte beziehungsweise die Implementierung in den Schaltschrankanlagenbau. Die Geräte werden außerdem künftig mit einer Ethernet-Schnittstelle ausgestattet, so können wir sie an die Kommunikation der Unternehmens- oder der Firmennetzwerke andocken. Die dorthin übertragenen Informationen sind in der Regel Gerätedaten wie Temperaturverläufe und Präventivmeldungen für Serviceanforderungen. Und künftig wird auch detektierbar sein, wann voraussichtlich eine Komponente ausfällt und ausgetauscht werden sollte, bevor es zu einem Maschinenstillstand kommt.
Wo Wärme entsteht, sind Kühlgeräte gefordert. Das gilt auch besonders für den IT-Bereich, Herr Hanstein.
Bernd Hanstein: Richtig. Das beginnt im Kilowatt- und geht bis zum Megawattbereich. Sehr große Unternehmen betreiben Rechenzentren mit einer Leistung im zweistelligen Megawattbereich. Betrachten wir die Verteilung des Energieverbrauchs der Server versus Infrastruktur, ist der Anteil für die Kühlung relativ groß.
Die meisten Rechenzentren verfügen über eine aktive Kühlung, beispielsweise über die Doppelbodenklimatisierung. Außerhalb des Rechenzentrums steht ein Gerät zur Kälteerzeugung, ein Freikühler, und ein Ventilator bläst Luft in den Doppelboden ein, von wo sie vor die Serverebene gelangt. Dort wird sie angesaugt und erwärmt wieder ausgeblasen. Zurück am Wärmetauscher schließt sich der Kreislauf und beginnt von neuem.
Homogene Infrastrukturen weisen eine relativ gleichmäßige Auslastung der IT-Schränke auf. Hier funktioniert die Kühlung wesentlich einfacher und energieeffizienter, wenn die Rücktür durch einen Wärmetauscher ersetzt wird. Dies bietet zwei Vorteile. Erstens: Der Weg der Luft vom Serverausgang bis zum Wärmetauscher ist kurz und die zu bewegende Luftmenge ist sehr klein. Und zweitens: Es ist keine zusätzliche aktive – und damit stromverbrauchende – Luftführung durch ein Klimagerät notwendig, da die eingebauten Ventilatoren der Server den Luftstrom aufrechterhalten.
Oftmals sind in Rechenzentren jedoch die Schränke nicht gleichmäßig ausgelastet. Schwere Einbauten, die viel Wärme abgeben, befinden sich meist im unteren Bereich, während Switche und Ähnliches oben verbaut sind. Eine ungleiche Wärmebelastung der Austauscherfläche ist die Folge. Die Heat Pipe sorgt hier für eine homogene Auslastung und erhöht so die Energieeffizienz des Wärmetauschers. Damit haben wir sowohl im Bereich Industrie als auch mit dem zuvor beschriebenen Prinzip im Bereich IT die Heat Pipe als eine echte Innovation in die etablierten Kühltechnologien eingeführt.
Setzen Sie diese Technik schon in der Praxis ein?
Hanstein: Ja, ein großes finnisches Finanzinstitut setzt unser Liquid Cooling Package LCP Hybrid in seinem Rechenzentrum ein und ist damit sehr zufrieden. Eine Hotspot-Klimatisierung ist ebenso problemlos möglich. Ein großer Kunde in den USA hat in seinem Rechenzentrum eine gemischte Infrastruktur mit drei Hochleistungsracks. Die vorhandene Doppelboden-Raumklimatisierung ist hier nicht ausreichend. An der Rückseite der Racks befindet sich nun je ein Wärmetauscher. Dadurch wird die Abluft der drei Racks sofort wieder in Kaltluft umgewandelt.
Stellt Rittal nun das gesamte Produktportfolio auf diese Technologie um?
Wagner: Wir werden im Industriebereich von den kleinen bis zu den großen Leistungsklassen sowohl die Wandkühler bis zu den Dachkühlgeräten sukzessive auf die neue Technologie umstellen. Das geschieht in relativ kurzen Abständen. Wir starten mit fünf Leistungsklassen und werden dann im Laufe der nächsten Jahre die komplette Reihe der Wandkühlgeräte nachziehen. In der Vergangenheit haben wir für jede Spannungsvariante oder für jedes Spannungsnetz unterschiedliche Geräte gebraucht – dank der Mehrspannungsfähigkeit der neuen Geräte brauchen wir künftig nur noch eins. Hier kommt uns ein weiteres technisches Merkmal der Blue e+ Serie zu Gute. Heute benötigt ein Kunde für jede Netzspannung eine eigene Gerätevariante. Zukünftig sind alle Blue e+ Geräte mehrspannungsfähig, das heißt weltweit einsetzbar. Das bietet zum einen Vorteile bei der Produktion der Geräte, aber vor allem einen erheblichen Zusatznutzen in der Logistik, im Service und der Ersatzteilversorgung.
Sind die neuen Kühlgeräte nur bei kompletten Neuinvestitionen interessant oder lohnt sich auch ein Austausch an bestehenden Maschinen? Und kann man den Return-on-Investment berechnen?
Wagner: Wir stellen auf unserer Homepage einen Effizienzrechner zur Verfügung, der über Energieverbrauch und -kosten je Zeitraum genaue Auskunft gibt. Auch der Vergleich von bestehenden gegenüber den neuen Produkten ist möglich. Die Frage, ob es sich lohnt, ein bestehendes Gerät gegen ein neues auszutauschen, kann so fundiert beantwortet werden. Der komplette Austausch amortisiert sich meist innerhalb von vier bis fünf Jahren. Bei Neuinvestitionen rechnen sich die neuen Kühlgeräte Blue e+ ab dem ersten Tag.
Und wie ist das bei Rechenzentren?
Hanstein: Hier ist die Situation etwas komplexer. Der Kunde muss sich zunächst zwischen wasserbasierter Kälteerzeugung oder elektrischer Kälteerzeugung entscheiden, wobei wir ihn natürlich beraten: Ist beispielsweise eine Kühlung per Umluftklimagerät und Doppelboden ausreichend oder handelt es sich um eine energieintensive High-Performance-Anwendung, bei der nur ein einzelner Schrank gekühlt werden muss? Kommt eine passive Rücktür wie das LCP Hybrid in Frage? Dies lässt sich nur in der persönlichen Beratung klären, in der wir natürlich auch individuell den ROI vorlegen.
Lässt sich die Kühlung überhaupt noch verbessern?
Hanstein: Es geht immer darum, Wärme vom Ort der Entstehung abzutransportieren, und da ist, glaube ich, in Zukunft noch einiges möglich. Je näher der Wärmeaustausch an den Ort der Wärmeentstehung kommt, desto effizienter wird er. Es muss allerdings nicht nur die Central Processing Unit gekühlt werden. Auch die restliche Baugruppe und erst recht die im Schrank verbauten Speichersysteme benötigen Kühlung. Hier steckt noch viel Potenzial – und bereits manche Idee.
Herr Hanstein, Herr Wagner, wir bedanken uns für das Gespräch.