Rechenzentren kommen für das Abführen der Abwärme in der Regel nicht ohne Klimatisierung mit maschineller Kältebereitstellung aus. Die Kältemaschinen setzen meist klimaschädliche, fluorierte Treibhausgase als Kältemittel ein, die durch Leckagen, bei der Wartung und der Außerbetriebnahme in die Atmosphäre entweichen. Doch wie kann man diese Emissionen durch die Wahl von klima- und umweltfreundlichen sowie halogenfreien (natürlichen) Kältemitteln vermeiden?

Wie das Klimasystem eines Rechenzentrums (RZ) für einen effizienten Betrieb ausgelegt sein sollte, ist bei Rechenzentrumsbauern und -sachverständigen hinlänglich bekannt. Mittels freier Kühlung, kontrollierter Luftführung (Einhausung), bedarfsgerechten Luftvolumenströmen und höherer Zulufttemperatur lässt sich auch in Bestandsrechenzentren der Energiebedarf deutlich senken. Berechnungen im Auftrag des Umweltbundesamtes zeigen, dass sich die energiebedingten Kohlendioxid(CO2)-Emissionen eines mittleren RZs mit 50 kW IT-Leistung mit den beschriebenen Maßnahmen um 68 Prozent gegenüber einer effizienten Referenzanlage reduzieren lassen (Offermann et al., 2016).

Ein weiterer Ansatzpunkt, die Treibhausgasemissionen im RZ-Betrieb zu senken, bietet die Wahl eines klimafreundlichen Kältemittels in neuen Rechenzentren oder beim Austausch der Kältemaschine im Bestand. Als Kältemittel kommen derzeit noch überwiegend teilfluorierte Kohlenwasserstoffe (HFKW) zum Einsatz, die entweder als Reinstoff (R 134a) oder als Stoffgemisch (zum Beispiel R 410A, Gemisch aus R 32 und R 125) Verwendung finden und, wie alle gesättigten Kohlenwasserstoffe mit Fluoranteil, ein hohes Treibhauspotenzial (Global Warming Potential, GWP) aufweisen. Das GWP des Referenzstoffes CO2 beträgt 1, das von R 134a und R 410A hingegen 1.430 bzw. 2.088 (Forster et al., 2007). Das Entweichen von einem Kilogramm R 410A entspricht also der gleichen Treibhauswirksamkeit wie 2.088 kg CO2. Daher haben auch verhältnismäßig geringe HFKW-Kältemittelemissionen eine erhebliche Klimawirkung.

Bild 1. In den Jahren 2007 bis 2014 (vor der Quotierung) in der EU in Verkehr gebrachte Gebindeware an HFKW-Kältemitteln in Millionen t CO2eq (linke Säulen) (European Environment Agency, 2015) und mit der Verordnung (EU) Nr. 517/2014 über fluorierte Treibhausgase festgelegte Reduktion der zulässigen Vermarktungsmenge von HFKW in den Jahren 2015 bis 2030 (gestrichelte Querbalken). Ab dem Jahr 2017 sind in der zulässigen Menge auch die in importierten Geräten enthaltenen Mengen erfasst.

Dies ist auch der Grund für die Verknappung des Angebotes dieser Stoffe durch die Verordnung (EU) Nr. 517/2014 über fluorierte Treibhausgase (F-Gas-Verordnung), die seit dem 1. Januar 2015 gilt. Die verfügbare Menge an HFKW wird auf dem europäischen Markt stufenweise bis auf 21 Prozent der Ausgangsmenge (Durchschnittsmenge der Jahre 2009 bis 2012) im Jahr 2030 abgesenkt (Phase-Down-Schema, Bild 1). Dabei wird die Menge nicht in metrischen Tonnen (t), sondern in Tonnen CO2-Äquivalente (tCO2eq, Produkt aus der Menge eines Kältemittels in t und des GWP-Wertes) erfasst, sodass umso weniger Kältemittel zur Verfügung stehen, je größer die in Verkehr gebrachte Menge an HFKW mit hohem GWP ist. Kältemaschinen, die mit Kältemitteln mit hohem GWP (wie beispielsweise R 410A) ausgestattet sind, verschwinden daher zunehmend vom Markt – ein „weiter so“ wie bisher führt ansonsten zwangsläufig zu einem Engpass, der auch für Bestandsanlagen problematisch wäre, da diese erhebliche Kältemittelmengen zum Nachfüllen benötigen.

Das HFKW-Phase-Down führt letztlich dazu, dass das durchschnittliche GWP aller am Markt verfügbaren Kältemittel von derzeit ca. 2.100 auf 450 im Jahr 2030 sinkt. Da für Altanlagen weiterhin Kältemittel für die Wartung benötigt werden, deren GWP deutlich über dieser Schwelle liegt, müssen zum Ausgleich die Kältemittel in neu installierten Anlagen ein entsprechend niedrigeres GWP (<20) aufweisen (Bild 2). Oft wird in der RZ-Branche das Argument vorgebracht, dass das HFKW-Phase-Down die Rechenzentren nicht betrifft, weil deren Anteil am gesamten HFKW-Verbrauch nur sehr gering sei. Letzteres ist zwar richtig, suggeriert jedoch, dass den Rechenzentren aufgrund der kleinen Verbrauchsmengen ein Sonderstatus eingeräumt wird – ein Kältemittel-Vorkaufsrecht sozusagen. Dieses existiert jedoch nicht. Ausnahmen gibt es lediglich für Tiefkälteanwendungen, die Temperaturen von −50°C und darunter erfordern.

Bild 2. GWP-Werte ausgewählter Kältemittel (Säulen) aufgetragen über den in den Jahren 2015 bis 2030 rechnerisch noch zulässigen Durchschnitts-GWP-Werten über alle Kältemittel (blaue Querbalken) und den in der Verordnung (EU) Nr. 517/2014 über fluorierte Treibhausgase festgelegten, prozentualen Reduktionsschritten der HFKW-Vermarktungsmengen bezogen auf CO2-Äquivalente (blaue Querbalken).

Welche Kältemittel bieten sich zum Ersatz der HFKW-Kältemittel wie R 410A an? In Bild 2 ist zu erkennen, dass zwei Gruppen von Kältemitteln als Alternative zu den bisherigen Stoffen aufgrund ihres niedrigen GWP in Frage kommen: ungesättigte halogenierte Kohlenwasserstoffe wie etwa R 1234ze(E) (als Hydrofluoroolefine (HFO) vermarktet) und halogenfreie natürliche Kältemittel. Zu Ersteren gibt es bisher nicht ausreichend belastbare Daten zur Energieeffizienz von mit diesen Kältemitteln ausgerüsteten Anlagen. Die Fachliteratur vergleicht neue Anlagen mit etwa R 1234ze(E) energetisch oft nur mit den zuvor verbauten Bestandsanlagen oder technisch überholten Anlagen, was wenige Schlussfolgerungen auf die tatsächliche Energieeffizienz zulässt. Diese muss erst noch im direkten Vergleich mit der zweiten Gruppe der in Frage kommenden Stoffe, den halogenfreien Kältemitteln, erbracht werden – der in Untersuchungen jedoch häufig vermieden wird (so zum Beispiel bei Wang und Amrane, 2014). Kältemaschinen mit dem Kältemittel R 1234ze(E) weisen gegenüber baugleichen Anlagen mit HFKW aufgrund der geringeren volumetrischen Kälteleistung eine erheblich verringerte Nennkälteleistung (minus 25 Prozent) auf. Das heißt, die Aggregate fallen bei gleicher Kälteleistung größer aus, was zusätzliche Kosten von 15 bis 25 Prozent (Stahl, 2016) verursacht.

Zur zweiten Gruppe zählen natürliche Kältemittel wie CO2 (Kältemittelbezeichnung: R 744), Propan (R 290), Ammoniak (R 717) und Wasser (R 718). Diese besitzen nur ein sehr geringes oder kein Treibhauspotenzial und schneiden auch hinsichtlich ihrer Energieeffizienz besser ab als HFKW-Kältemittel (Heinrich et al., 2014). Weitere Vorteile dieser Stoffe sind, dass ihre Eigenschaften gut erforscht sowie technische Lösungen für ihre Verwendung verfügbar sind, ihr Preis sehr niedrig ist und bleiben wird, ihre Herstellungspfade und die damit verbundenen Emissionen und auch ihre Abbauprodukte gut bekannt sind. Mit unabsehbaren negativen Folgen für die Umwelt durch einen deutlich gesteigerten Einsatz als Kältemittel ist daher nicht zu rechnen.

Die sicher eleganteste Lösung, ganz auf eine Kältemaschine zu verzichten, kommt bisher nicht für jeden RZ-Betreiber in Frage, sodass weiterhin eine Nachfrage nach solchen Maschinen besteht. In den letzten Jahren wurden vermehrt Klimaanlagen für Rechenzentren installiert, die auf Kältemaschinen mit natürlichem Kältemittel zurückgreifen. Im Folgenden beschreibt dieser Artikel zwei der Anlagen näher.

Für die Stadtwerke der Stadt Lübbecke installierte die Firma Wilhelm Schriefer zwei Flüssigkeitskühler mit dem Kältemittel R 290 und einer Nennkälteleistung von jeweils 18 kW. Das Anlagenkonzept wurde in Kooperation mit der HKT Huber-Kälte-Technik erarbeitet. Die Kälteanlage versorgt hauptsächlich das RZ der Stadtwerke, eignet sich aber auch zur Komfortklimatisierung. Aufgrund der Brennbarkeit von Propan erarbeiteten die Initiatoren ein Sicherheitskonzept inklusive Gefahrenanalyse, das diese bereits bei der konstruktiven Umsetzung berücksichtigten. Auf Basis dieses Sicherheitskonzeptes entschied man sich für die Außenaufstellung der Anlage und eine schwingungsgedämpfte Lagerung des Kompressors. Der Kältekreislauf ist sehr kompakt ausgeführt und mit lediglich 2,5 kg Propan befüllt. Bei der Verwendung eines Mikrokanal-Verflüssigers wäre die Menge sogar auf 1 kg reduzierbar. Die gute Energieeffizienz der Anlage gewährleistet unter anderem der drehzahlgeregelte Kompressor, der interne Wärmeübertrager und die Absenkung der Verflüssigungstemperatur im Winter auf 20°C. Letzteres ermöglicht einen COP (Coefficient of Performance) von 7, der bei einer Verflüssigungstemperatur von 35°C 4,2 beträgt. Seit der Inbetriebnahme 2011 läuft die Anlage störungsfrei. Die höheren Investitionskosten gegenüber Standardanlagen spielte der geringe Energiebedarf bereits wieder ein (Amortisationszeit: drei bis fünf Jahre).

Für die reibungslose Klimatisierung des RZ des Deutschen Milchkontors (DMK) in Bremen sorgen zwei Echiller des Herstellers Efficient Energy. Dort sind Server mit einer IT-Leistung von etwa 21 kW installiert. Die beiden Kältemaschinen, die ihren Betrieb im Mai 2016 aufgenommen haben, sind auf die Kühlung von Prozessen mit hohen Vorlauftemperaturen ausgelegt. Optimal kühlt der Echiller bei 22°C. Mit diesem können Vorlauftemperaturen zwischen 10°C und 28°C gefahren werden – ein Spektrum, das herkömmliche Kältemaschinen nicht abdecken können. Beim Echiller kommt als Kältemittel Wasser zum Einsatz, das im Vakuum verdampft und ein Turbokompressor verdichtet. Die direkten Treibhausgasemissionen oder andere Umweltprobleme aufgrund des Kältemittels sind somit gleich Null. Wasser ist gleichzeitig auch der Kälteträger, sodass ein Verdampfer verzichtbar ist und damit ein Wärmeübergang entfällt. Dadurch läuft die Maschine bereits bei gegenüber der Vorlauftemperatur minimal niedrigeren Außenlufttemperaturen überwiegend im Freikühlmodus. In diesem Betriebszustand ergeben sich sehr hohe Effizienzwerte (COP) von über 50, das heißt, für das Abführen 1 kWh Abwärme müssen weniger als 20 Wh elektrische Energie aufgewendet werden (Bild 3).

Bild 3. Gemessener COP (Coefficient of Performance, blaue Kurve) der Kältemaschine zur Kühlung des DMK-RZ über die Außentemperatur von September bis November 2016 (grüne Linie: Tendenz). Bei einer Vorlauftemperatur von 20°C kann bis 19°C Außentemperatur fast ausschließlich frei gekühlt werden, der COP liegt über 50. Mit steigender Außentemperatur wird die Kühlung im Mischbetrieb zunehmend von der Kältemaschine übernommen, bis diese bei ca. 24°C die volle Kühlleistung übernimmt und der COP bei ca. 13 liegt. Mit weiter steigender Temperatur nimmt auch die Kompressorleistung zu und der COP auf hohem Niveau weiter ab.

Auch bei Außentemperaturen von 26°C arbeitet der Echiller bei laufendem Kompressor mit einem COP von 10. In den Monaten Oktober und November 2016 lag der Power-Usage-Effectiveness-Wert (PUE) bezogen auf das Klimasystem konstant bei unter 1,05. Der PUE-Wert für das gesamte RZ schwankte zwischen 1,24 und 1,19. Auch wenn diese Werte in den warmen Monaten steigen dürften, zeichnet sich hier für ein maschinell gekühltes RZ eine sehr gute Energieeffizienz ab.

Fazit

 

Die Kühlung von Rechenzentren mittels Kältemaschinen mit natürlichen Kältemitteln ist heute Stand der Technik, hat sich bewährt und lässt sich zu wirtschaftlichen Bedingungen sicher einsetzen. Gegenüber den Standard-HFKW-Techniken ist mit keinen Versorgungsengpässen oder umweltgesetzlichen Einschränkungen zu rechnen.

Auch gegenüber den ungesättigten HFKW ergeben sich hinsichtlich Energieeffizienz und Kälteleistung teilweise deutliche Vorteile. Deshalb sind Kältemaschinen mit natürlichen Kältemitteln für die Rechenzentrumsklimatisierung die beste Wahl.

Fachliteratur

European Environment Agency: Fluorinated greenhouse gases 2014 – Technical report No 22/2015. EEA (European Environment Agency), Kopenhagen, 2015. www.eea.europa.eu/publications/fluorinated-greenhouse-gases-2014. ISBN 978-92-9213-709-0.

Forster, Piers et al.: Changes in Atmospheric Constituents and in Radiative Forcing. In: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 2007.

Heinrich, Carsten et al.: Nachhaltige Kälteversorgung in Deutschland an den Beispielen Gebäudeklimatisierung und Industrie.Umweltbundesamt, Dessau-Roßlau, 2014. ISSN 1862-4359.

Offermann, Markus et al.: Klimaschonende Klimatisierung (Heizen und Kühlen) mit natürlichen Kältemitteln – Konzepte für Nichtwohngebäude mit Serverräumen/Rechenzentren. Umweltbundesamt, Dessau-Roßlau, 2016. ISSN 1862-4359.

Wang, Xudong; Amrane, Karim: AHRI Low Global Warming Alternative Refrigerants Evaluation Program (Low-GWP AREP) – Summary of Phase I Testing Results. 15th International Refrigeration and Air Conditioning Conference at Purdue, July 14–17, 2014. docs.lib.purdue.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=2415&context=iracc.

Stahl, Manfred: Kaltes Wasser bitte – aber ohne HFO!. CCI Zeitung (50), Heft 14/2016, S.22–24. cci Dialog GmbH, Karlsruhe.

Dr. Daniel de Graaf ist Diplom-Biochemiker und Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Umweltbundesamt ().