Data center in the wind turbine

"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.