Turbotechnik für Rechenzentrum

Das Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) in Garching bei München nahm Ende Juli 2012 seinen neuen Supercomputer in Betrieb. In das „grüne“ Kühlkonzept fügen sich zwei Turbo-Kaltwassersätze von aircool/McQuay schlüssig ein: Die Kältemaschinen aus der „WSC“-Baureihe decken den Kühlbedarf der derzeit schnellsten Großrechenanlage in Europa zuverlässig ab.

Die Zahlen beeindrucken, auch wenn sie menschliches Vorstellungsvermögen übersteigen: Das 100 Tonnen schwere elektronische „Gehirn“ besitzt mehr als 155 000 Rechenkerne, die zusammen die schier unvorstellbare Spitzenleistung von drei Peta-Flops, also drei Billiarden Rechenvorgänge in der Sekunde erbringen. Hinzu kommen 330 Tera-Byte Hauptspeicherkapazität sowie ein Zwischenspeicher für zehn Peta-Byte Datenvolumen.

Leichter fassbar als derartige Dimensionen sind die dadurch erzeugte Abwärme und der daraus resultierende Klimatisierungsbedarf einer solchen Mega-Anlage, und zwar sowohl der aktiven Rechnerkomponenten als auch des Gebäudes: Jede Kilowattstunde Energie, die der Computer verbraucht, bedeutet einen zusätzlichen Wärmeeintrag und erhöht damit den Kühlbedarf. Das Wachstum der Rechnerpower führt so unweigerlich zu einem Mehrverbrauch an Primärenergie. Deshalb ist auch in diesem Bereich unter dem Schlagwort „Green IT“ das Bewusstsein für die Notwendigkeit entstanden, mit Umwelt und Ressour­cen noch schonender umzugehen. Das im Sommer 2012 eingeweihte Leibniz Rechenzentrum der Bayerischen Akademie der Wissenschaften in Garching bei München (LRZ) versinnbildlicht diesen Paradigmenwechsel eindrucksvoll: Dank eines durchgängigen „Green IT“-Konzepts konnte der Energiebedarf trotz einer verzehnfachten Rechenleistung überproportional verringert werden. Die Anforderungen an ein „Green IT“- Großprojekt wie dem Neubau des Leibniz Rechenzentrums orientierten sich an maximaler Energieeffizienz. „Die Beteiligung der Kältetechnik aircool, die sich bei ähnlich ambitionierten High Tech-Projekten wie beispielsweise dem „Weltraum-TÜV“, der Satelliten-Prüfstelle IABG in Ottobrunn bei München als kompetenter Partner in Kältefragen erwiesen hat, fügte sich schlüssig in die Logik des LRZ-Gesamtkonzepts ein“, sagt dazu Bruno Trost, Geschäftsführer von Kältetechnik aircool aus München (www.aircool.de). Sein Unternehmen hat sich seit der Gründung vor über 25 Jahren auf die insbesondere im Turboverdichter-Markt technologisch führenden McQuay-Produkte spezialisiert.

Supercomputer im Dienst der Wissenschaft

Supercomputer, wie die im Sommer im Leibniz Rechenzentrum der Bayerischen Akademie der Wissenschaften in Garching bei München (LRZ) in Betrieb genommene IBM-Anlage „SuperMUC“, sind für Forscher und Wissenschaftler bei ihren hochkomplexen, numerisch basierten Vorhaben längst unentbehrlich geworden: Mit ihrer Hilfe lassen sich Klimaveränderungen oder die Auswirkungen von Erdbeben berechnen und revolutionäre Theorien wie diejenige über die dunkle Materie im All bekräftigen. Forscher und Wissenschaftler aus Deutschland sowie 23 europäischen Ländern nutzen die IBM-Anlage im Garchinger Informatik-Dienstleistungszentrum LRZ. „SuperMUC“ ist der derzeit schnellste Rechner Europas und der vierschnellste weltweit. „Der Rechner ist komplett ausgelastet. Mit den laufenden Bewerbungen wäre er sogar drei- bis siebenmal überbucht“, berichtet Professor Dr. Arndt Bode, der das LRZ leitet.

McQuay-Turbokaltwassersätze von aircool sichern Kühllastabdeckung

Insgesamt kann das LRZ auf eine Brutto-Kälteleistung von 15 MW zugreifen, die größtenteils durch konventionelle Grundwasserkälte erzeugt wird. Kältetechnik-Ausrüster Trost: „Das Gesamtkonzept der Gebäudeklimatisierung und Kälteversorgung des Leibniz Rechenzentrums ruht auf den drei Säulen Grundwasserkälte, unseren Turbo-Kaltwassersätzen und alternierend dazu freier Kühlung in der kalten Jahreszeit.“ Je nach den vorherrschenden Temperaturbedingungen wird die effizienteste der drei Varianten beziehungsweise eine Kombination mit unterschiedlichen Gewichtungen gewählt. Nur zusätzlich zehn bis zwanzig Prozent des gesamten Energiebedarfs entfallen so am LRZ auf die konventionelle Kühlung – üblich ist bei ähnlichen Projekten ein Mehrverbrauch von 50 bis 100 Prozent.

Kältetechnik aircool installierte am Standort von „SuperMUC“ zwei kompakte McQuay-Kaltwasserkühler mit Turbotechnologie und einer Kälteleistung von je 1,9 MW. Sie dienen in erster Linie zur Abdeckung von Spitzenlasten. Dieser vergleichsweise geringe Anteil an der Gesamtkälteleistung ist jedoch unverzichtbar für die Betriebssicherheit der gigantischen Rechenanlage. Geschäftsführer Trost: „Ohne die im LRZ damit jederzeit verfügbare Turbo-Kühlung wäre kein verlässliches Arbeiten gewährleistet.“ Die beiden mit Single-Turboverdichtern ausgerüsteten McQuay-Kaltwassererzeuger vom „Typ 087“ aus der „WSC“-Baureihe waren demzufolge die erste Wahl für die zusätzliche Kälteversorgung. Trost: „Die überdurchschnittlich hohe Effizienz dieser bewährten Kältemaschinen gab den Ausschlag bei der Entscheidungsfindung am LRZ“. Zur besonderen Eignung in einem ganzheitlichen Green-IT-Konzept wie dem in Garching realisierten kam schließlich hinzu, dass die McQuay-Turbo-Kaltwassersätze wie viele andere Kältemaschinen des Herstellers schon seit langem mit dem chlorfreien Kältemittel R134a betrieben werden.

Fazit: Der Energieverbrauch liegt im Verhältnis zur überproportional gestiegenen Rechenleistung weit unter demjenigen des Vorgänger-Rechenzentrums. Einen wesentlichen Beitrag dazu leisten die beiden McQuay-Kaltwassersätze, die den besonderen Anforderungen im Rahmen eines „Green IT“-Konzeptes vollauf gerecht wurden.

Technische Merkmale der aircool-Kältemaschinen am LRZ

Die „McQuay WSC-Single“-Turboverdichter werden mit dem umweltfreundlichen Kältemittel R134a betrieben und zeichnen sich durch eine Reihe technischer Merkmale aus. So ermöglicht die hydraulische Leitschaufelverstellung am Laufradeintritt innerhalb des Turbinengehäuses eine stufenlose Leistungsregelung. „Dadurch ist sie herkömmlichen elektrisch angesteuerten Turboverdichtern bei der Betriebssicherheit, Regelgenauigkeit sowie der Abgleichmöglichkeit an die Systemhydraulik überlegen“, fasst Trost die Vorzüge der Konstruktionsweise, die ohne Stellmotor und externes Gestänge auskommt, zusammen.

Der besonders energiesparende Teillastbetrieb  ist bei den McQuay-Turboflüssigkeitskühlern ohne Heißgas-Bypass bis zu zehn Prozent der Maximalleistung möglich. Mit der Diffusordrossel kann der Austrittsquerschnitt dem Kältemittelmassenstrom im Teillastbereich angepasst werden. In Verbindung mit der Leitschaufelverstellung trägt dies zur Verminderung von Turbulenzen und damit zur Effizienzsteigerung sowie einer Reduzierung des Geräuschpegels bei.

Ein elektronisches Expansionsventil erzielt die bestmögliche Verdampfer-Effizienz unter allen Lastbedingungen. Dadurch ist eine exakte Anpassung an die tatsächliche Kältelast möglich. Trost: „Anders als bei anderen Maschinen, in denen oft noch eine Schwimmerregelung verbaut wird, steuern wir nicht über die Füllstandhöhe, sondern nach einem speziellen Algorithmus, der auf höchste Energieeffizienz und Regelgenauigkeit optimiert ist.“

Das Ölmanagement wurde bei den McQuay-Turboverdichtern, wie sie von aircool im LRZ in das Kühlkonzept integriert wurden, mit dem Ziel der höchsten Betriebssicherheit ausgelegt. Durch eine jederzeit annähernd vollständige Ölrückführung werden zudem hohe EER-Werte (> 6) erreicht, da ein exakt definierter Ölfilm in den Wärmetauschern den Wärmeübergang positiv beeinflusst. Die Wärmetauscher selbst weisen eine kompakte Baulänge auf, bei der ein gleichzeitig vergrößerter Durchmesser einen optimierten Wärmeübergang gewährleistet. Zusätzlich sorgt eine vom Netz getrennte Notölschmierung bei einem Stromausfall für eine zuverlässige Schmierung an Lager und Getriebe und verhindert so Schäden an der Turbine.

In den McQuay-Turbokühlern werden hocheffiziente, überflutete Rohrbündel-Verdampfer eingesetzt. Dabei fließt das Wasser durch die Kupferleitungen und das Kältemittel umströmt die Wasserrohre. Die Verdampferrohre der Kaltwassersätze bestehen aus hocheffizientem, innen strukturiertem Kupferrohr. Verdampfermantel und Enddeckel sind mit einer geschlossenen Schaumstoffisolierung versehen; die Verdampfer- und auch die Verflüssigerrohre lassen sich reinigen.

Zur Kondensation des Kältemittels kann der Rohrbündelverflüssiger 100 Prozent der Kältemittelfüllung aufnehmen. Deshalb muss bei Wartungsarbeiten nicht die gesamte Kältemittelfüllmenge abgesaugt werden. Die Stillstandzeiten sind dadurch kürzer und die Instandhaltungskosten niedriger. Jeder der beiden Kaltwassersätze verfügt über einen eigenen Schaltschrank mit einer durch Mikroprozessoren geregelten Steuerung. Das redundant ausgelegte System mit voneinander unabhängigem Unit- und Turbinenprozessor ist in der Lage, auch bei Ausfall eines der beiden Prozessoren die Maschine uneingeschränkt weiter zu betreiben. Die Microtech-Steuersoftware wurde seit ihrer Markteinführung durch McQuay 1987 kontinuierlich weiterentwickelt bis zur aktuellen Version „II C+“, wie sie unter anderem in den „WSC“-Kühlern im Garchinger Hochleistungsrechenzentrum zum Einsatz kommt. Die Bedienung der Turbokühler erleichtert eine benutzerfreundliche Touchscreen-Oberfläche im Windows-Design.