Erdgasleitungen bieten Energielösungen

Von Steve Richards, Vizepräsident für Entwicklungstechnik, Sapphire Technologies

Die Nachfrage nach Rechenzentren boomt, angetrieben durch Investitionen in Anwendungen künstlicher Intelligenz. Mit steigender Nachfrage nach Rechenzentren wird auch deren Energieverbrauch steigen. Laut McKinsey wird der Energieverbrauch von Rechenzentren von 17 Gigawatt pro Jahr im Jahr 2022 auf 35 Gigawatt pro Jahr im Jahr 2030 ansteigen. Zum Vergleich: 35 Gigawatt reichen aus, um etwa 30 Millionen Haushalte mit Strom zu versorgen! Laut der Internationalen Energieagentur (IEA) müssen die Emissionen aus dem Datenverkehr halbiert werden, um die Klimaneutralitätsziele für 2030 zu erreichen. Angesichts der rasant steigenden Nachfrage nach Rechenzentren und der bereits bestehenden Netzprobleme, die zu finanziellen und ökologischen Verlusten für Rechenzentrumsbetreiber führen, erscheinen diese Ziele unrealistisch, solange wir nicht in zuverlässige und saubere Energielösungen für Rechenzentren investieren. Neben den ökologischen Vorteilen birgt die Bereitstellung zuverlässiger und sauberer Energie für Rechenzentren auch das Potenzial, die Kosten von Rechenzentrumsausfällen für Betreiber und deren Kunden zu senken.

Sapphire Technologies gab bekannt, dass sein Inline-Turboexpander FreeSpin die bei Druckreduzierungsprozessen entstehende Energie zurückgewinnen und zur Erzeugung emissionsfreier Energie nutzen kann. (Bild: Sapphire Technologies)

Ausfälle von Rechenzentren sind bereits jetzt kostspielig. Laut Uptime Institute verursachen zwei Drittel aller Ausfälle Kosten von über 100.000 US-Dollar pro Ausfall. Das Uptime Institute weist darauf hin, dass mehrere langfristige Trends die Zuverlässigkeit der Stromnetze beeinträchtigen, welche die Hauptursache für Rechenzentrumsausfälle darstellen. Zu diesen Trends zählen die Integration fluktuierender erneuerbarer Energiequellen in das Netz, die alternde Infrastruktur, häufigere wetterbedingte Störungen und geopolitische Unterbrechungen der traditionellen fossilen Brennstoffversorgung. Da Ausfälle Tausende von Dollar pro Minute kosten können, sind Rechenzentrumsbetreiber auf Notstromversorgung angewiesen, um den Betrieb ihrer Server aufrechtzuerhalten. In der Vergangenheit bestanden diese Notstromquellen größtenteils aus emissionsintensiven Dieselgeneratoren. Laut einer Studie des Ingenieurbüros FEA, basierend auf Daten der US-Energieinformationsbehörde (EIA) und der US-Umweltschutzbehörde (EPA), emittiert ein typischer Dieselgenerator mehr als doppelt so viel CO₂ wie das US-amerikanische Stromnetz pro erzeugter Kilowattstunde (kWh). Somit besteht die Gefahr, dass die Umweltbelastung durch Rechenzentren exponentiell zunimmt, wenn deren Energiebedarf steigt und die Zuverlässigkeit des US-amerikanischen Stromnetzes abnimmt und keine Lösungen für die Bereitstellung zuverlässiger, sauberer Backup-Energiequellen für Rechenzentren gefunden werden.

Verfügbare Optionen

Die gute Nachricht: Es gibt bereits mehrere Lösungen, die Rechenzentren helfen können, die Herausforderungen in puncto Nachhaltigkeit und Energieversorgungssicherheit zu meistern. Eine dieser Lösungen zur Notstromversorgung von Rechenzentren sind Lithium-Ionen-Batterien. Diese Batterien können Energie aus sauberen Energiequellen wie erneuerbaren Energien an einem anderen Ort oder zu einem anderen Zeitpunkt speichern, um sie später bei Stromausfällen von Rechenzentren nutzen zu können. Obwohl diese Technologie weit verbreitet ist, stellen die Kosten eine Herausforderung dar. Laut BloombergNEF lagen die Stromgestehungskosten (LCOE) von Lithium-Ionen-Batterien im ersten Halbjahr 2023 bei 155 US-Dollar/MWh. Dies ist im Vergleich zu traditionellen Energiequellen wie Erdgas (92 US-Dollar/MWh) sowie zu erneuerbaren Energien wie Solarenergie (76 US-Dollar/MWh) und Windenergie (50 US-Dollar/MWh) ungünstig.

Wasserstoff-Brennstoffzellen stellen eine weitere potenzielle alternative Notstromquelle für Rechenzentren dar, die Microsoft derzeit untersucht. Sie bieten emissionsfreie Energie, indem sie Strom durch eine chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff erzeugen. Die Wirtschaftlichkeit von Wasserstoff ist jedoch noch sehr fraglich, und nach den meisten Schätzungen wären Wasserstoff-Brennstoffzellen heute sogar teurer als Lithium-Ionen-Batterien.

Erdgasnetz

Eine weitere Lösung zur zuverlässigen, kosteneffizienten und sauberen Notstromversorgung von Rechenzentren nutzt eine vielleicht unerwartete Quelle: das Erdgasnetz. Diese Lösung verwendet jedoch nicht Erdgas selbst als Energiequelle, sondern macht die Abwärme , die bei der Druckreduzierung in verschiedenen Stufen des Gasnetzes entsteht, zur Erzeugung von sauberem Strom nutzbar. Der FreeSpin® Inline-Turboexpander von Sapphire Technologies kann die bei Druckreduzierungsprozessen entstehende Abwärme zurückgewinnen und emissionsfreien Strom erzeugen. Dieser saubere Strom, der aus der Abwärme in den Pipelines gewonnen wird, kann zur Versorgung von Rechenzentren genutzt werden. Da Rechenzentren eine mobile, modulare Last darstellen, eignen sie sich ideal für die gemeinsame Nutzung mit Druckreduzierstationen, die sich häufig an abgelegenen Standorten befinden. Sapphire Technologies hat sich mit Tallgrass Energy und Evolve Energy zusammengetan, um 72 Turboexpander-Generatoren entlang des 10.460 Kilometer langen Erdgasleitungsnetzes von Tallgrass Energy in den USA zu installieren. Der erzeugte saubere Strom wird von den Rechenzentren von Evolve Energy verbraucht. Die Rechenzentren werden so nah wie möglich an den Druckentlastungsstationen installiert, um den Bedarf an elektrischen Kabeln zu minimieren und damit die für die Nutzung dieser sauberen Energiequelle benötigte Infrastruktur weiter zu reduzieren.

Der FreeSpin In-line-Turboexpander (FIT) von Sapphire Technologies nutzt die Druckreduzierung, die in verschiedenen Phasen der Gasverteilung erforderlich ist, um Energie zu gewinnen. Beim Transport von Erdgas durch Pipelines geht an den Druckreduzierstationen im Pipeline-Netz Druckenergie verloren. Der FIT besteht aus einer integrierten Hochgeschwindigkeitsturbine und einem hocheffizienten Generator. Er läuft auf Magnetlagern in einer hermetisch abgedichteten, schmierungsfreien Einheit. Das unter Druck stehende Gas, das durch den FIT strömt, treibt ein Radialturbinenrad an und versorgt den Permanentmagnetgenerator über einen Drehzahlregler mit Energie. Der Antrieb kann auf spezifische Leistungsanforderungen programmiert werden und eignet sich daher ideal für die Integration in Rechenzentren. Mit Stromgestehungskosten (LCOE) von 45 $/MWh ist der FreeSpin In-line-Turboexpander von Sapphire im Vergleich zu Alternativen eine kostengünstige Notstromquelle für Rechenzentrumsbetreiber.

Der FreeSpin Inline-Turboexpander (FIT) kann auch zur Erzeugung von sauberem Strom aus Abwärme direkt an Erdgasförderanlagen eingesetzt werden. Neben der Erzeugung sauberer Energie aus Abwärme in der Erdgasversorgungskette ist der FIT „brennstoffflexibel“. Das System ist mit Wasserstoff, Druckluft und Kohlendioxid kompatibel.

Da Rechenzentren weiterhin mit der Herausforderung einer zuverlässigen Stromversorgung zur Deckung des steigenden Bedarfs von KI-Anwendungen zu kämpfen haben, sind kreative Lösungen erforderlich, um Energiesicherheit und Bezahlbarkeit mit Emissionsreduktionszielen in Einklang zu bringen. Obwohl keine Lösung perfekt ist, stellt die Nutzung von Abwärme aus der konventionellen Energieinfrastruktur einen vielversprechenden Ansatz dar.