Data center in the wind turbine

Sustainable and maximum computing power thanks to renewable energy.
SICP - Software Innovation Campus Paderborn wins a GreenHPC BMBF research project



"Energy-optimized supercomputer networks through the use of wind energy" (ESN4NW)

Hinter diesem Titel verbirgt sich ein neues Forschungsvorhaben am SICP (Software Innovation Campus Paderborn) unter der Leitung der Universität Paderborn. Das Vorhaben, gefördert durch das Bundesforschungsministeriums (BMBF), ist dem Technologiefeld des energieeffizienten High-Performance Computing (HPC) zuzuordnen.

 

Die Idee, eine neue HPC-Infrastruktur mit einem nachhaltigen Betriebsführungskonzept zu kombinieren, wurde gemeinsam mit dem SICP-Mitglied WestfalenWIND IT, dem Betreiber der WindCORES, entwickelt. Im Kern steht die Erforschung und Demonstration der Potenziale und Anpassungsfähigkeit der WindCORES für HPC IT-Systeme, wenn sie mit volatiler erneuerbarer Energie betrieben werden. Die sieben Verbundpartner aus Wirtschaft und Wissenschaft konnten die Gutachter mit der Zielstellung einer hoch integrierten Betriebsführung zur optimierten Nutzung direkter lokal verfügbarer erneuerbarer Energie und der Erschließung von Abwärme-Senken/ Nutzen, wie z.B. den Turm einer Windenergieanlage (WEA), überzeugen.

 

Zur Demonstration der Innovation soll ein – weit über den aktuellen Stand der Technik hinausgehender – integraler Design-Ansatz verfolgt und umgesetzt werden. Neben der Entwicklung einer angepassten Infrastruktur, einer Monitoring- und Betriebsplattform (DCIM), werden für eine auf Nachhaltigkeit optimierte Betriebsführung neue Wissensgrundlagen, Betriebsstrategien und insbesondere Nachhaltigkeitsbewertungen möglicher Architekturen erforscht. Die adressierte dezentrale Betriebsführung eines HPC-Clusters, verteilt auf mehreren WEA, bedarf dazu aktuell nicht verfügbare Verhaltens- und Vorhersagemodelle. Die wissenschaftlichen und technischen Herausforderungen im Vorhaben liegen dabei unter anderem in der intensiven Datenerschließung und -nutzung, der Integration künstlicher Intelligenz in Regelkreisläufe, so wie einer systemischen Zusammenführung aller Modelle über einen digitalen Zwilling. Zentral dabei, Vorhersagen zur wetterabhängigen lokalen Energieverfügbarkeit im Arealnetz und somit auch zur Energieverfügbarkeit in einer WEA, als auch präzise Verhaltensmodelle aller in Wechselwirkung stehender Gewerke bezüglich ihrer Leistungsaufnahme und Entwärmungsbedarfe.

 

Eine Besonderheit und Innovation im Konzept: Der Turm einer WEA wird nicht nur als potenzielle Wärmesenke eingebunden, sondern die Kühlleistung bildet kombiniert mit der Energieverfügbarkeit die Steuerungsgröße der Betriebsführung für die Aktivierung der HPC-Systeme – rechnen nur, wenn erneuerbare Energie und Abwärme-Nehmer verfügbar sind. Im aktuellen Vorhaben liegen die Schwerpunkte auf der technischen und wirtschaftlichen Machbarkeit, der funktionalen und didaktischen Demonstration der Betriebsführung, sowie der Nachhaltigkeitsbewertung des Systems im erweiterten Systemlebenszyklus. Die angestrebten Ergebnisse sollen dabei für zukünftige Systeme aus Abwärme-Erzeugern und Abwärme-Nutzern im HPC-Kontext prinzipiell übertragbar sein.

 

Der SICP mit seinen Verbundpartnern ist aus wirtschaftlicher und wissenschaftlicher Hinsicht von der Vorbildfunktion des Konzepts überzeugt: „Das Vorhaben adressiert im besonderen Maße die unabdingbaren Herausforderungen der Energiewende und Digitalisierung. Die Ergebnisse des Projekts werden in besonderer Weise zeigen, dass der steigende Energiebedarf der Digitalisierung keine Sackgasse für mehr Nachhaltigkeit bilden und dass diese Wachstumsbedarfe auch zeitlich und räumlich flexibel durch regenerative Energien abgedeckt werden können.“ beschreibt Dr. Fiete Dubberke.

 

„Auch das aktuelle Thema „Wie können wir die Abwärme aus den unterschiedlichsten Industriebereichen nutzen“ wird adressiert. Welche Systeme aus Erzeugern und Nutzern sind dabei sinnvollerweise zu verbinden und welche Aufgaben können dabei Methoden der KI übernehmen.“ führt Dr. Gunnar Schomaker zu den weiterführenden Potenzialen der Forschungsergebnisse auf. Das prämierte windCORES-Konzept habe bereits gezeigt, dass eine Verschmelzung einer WEA mit einem Rechenzentrum auch wirtschaftlich erfolgreich umgesetzt werden kann. „Das erfolgreiche Betreiben eines HPC-Clusters, der über mehrere lokale WEA-Einzelanlagen zu einem HPC-RZ-Verbund verschmilzt, ist der zentrale Impulsgeber für das Vorhaben“, so Dr. Lutz Stobbe.



Our network partners



University of Paderborn, SI-Lab (SICP)

Das SI-Lab ist eine zentrale wissenschaftliche Einrichtung der Uni Paderborn und transdisziplinären Forschungsverbund SICP für daten- und softwaregetriebenen Innovationen in sozio-technischen Ökosystemen. Das Vorhaben wird dort koordiniert und wissenschaftlich von Jun.-Prof. Dr. Sebastian Peitz am Lehrstuhl Data Science for Engineering, Prof. Dr. Henning Meschede am Lehrstuhl Energiesystemtechnik und Dr. Gunnar Schomaker umgesetzt.


Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration - IZM

Das Fraunhofer IZM ist ein weltweit führendes Forschungsinstitut im Bereich der Aufbau- und Verbindungstechnik für mikroelektronische Systeme. Die Abteilung Environmental and Reliability Engineering (ERE) ist spezialisiert auf die ökologische und ökonomische Bewertung und Optimierung von Elektronik/IKT. Als Experter unterstützt Dr. Lutz Stobbe die komplexe Modellierung und Analyse umweltrelevanter Auswirkungen im Vorhaben.


University of Passau

Das Vorhaben wird am Lehrstuhl für Informatik mit Schwerpunkt Rechnernetze und Rechnerkommunikation von Prof. Dr.-Ing. Hermann de Meer umgesetzt. Der Lehrstuhl erforscht seit über 15 Jahren Themen zu Energieeffizienz in Rechenzentren und zur Digitalisierung des Energiesystems zur Integration Erneuerbarer Energien.


WestfalenWIND IT

Das PaderbornerUnternehmen ist eine Tochter der WestfalenWIND-Gruppe, welche 180 Windenergieanlagen mit einer Gesamtleistung von ca. 450 MW betreibt. Ziel der Unternehmensgruppe ist die Erschließung und Maximierung nachhaltiger Energieerzeugung. Die Gruppe ist Mitglied im SICP und erforscht dort Innovationen wie die windCORES, ein mehrfach prämiertes und weltweit einzigartiges Konzept für den nachhaltigen Betrieb von Rechenzentren in Türmen von WEA – Energienutzung direkt aus dem Windrad.



Our project contribution


  • Digital twin in AixBOMS
  • 3D DC view of the data center
  • Sophisticated monitoring and management tools
  • Cluster simulation and functional demonstrator
  • Control and operation (control center)








Highlights of the ESN4NW project