Rechenzentren mit energieintensiven Supercomputern für High Performance Computing (HPC) setzen Einiges an CO2 frei. In dem Projekt „Energieoptimierte Supercomputer-Netzwerke durch die Nutzung von Windenergie“ (ESN4NW) entstand die Idee, eine neue HPC-Infrastruktur mit einem nachhaltigen Konzept zu entwickeln. Gemeinsam erforschen und demonstrieren die Verbundpartner unter der Leitung des SICP der Uni Paderborn das Potenzial sogenannter „windCores“.
„windCores“ sind Windräder, die in ihren Türmen Rechenzentren beherbergen und diese mit dem vor Ort erzeugten Windstrom nahezu klimaneutral versorgen. Ziel des Vorhabens ist es, die Infrastruktur und Betriebsführung eines HPC-Clusters innerhalb mehrerer Windenergieanlagen unter folgenden Aspekten zu entwickeln:
- Die direkte, lokal verfügbare erneuerbare Energie soll dabei in die Betriebsführung eingehen, um sie maximal zu nutzen.
- Zusätzlich soll auch die entstehende Abwärme als limitierender Faktor berücksichtigt werden.
Zur Demonstration soll ein alternativer – über den Stand der Technik hinausgehender – Architektur-Ansatz verfolgt und umgesetzt werden. Die Projektpartner entwickeln eine Infrastruktur, die durch intensive Datennutzung und Methoden der künstlichen Intelligenz (KI) über eine Betriebsplattform kontinuierlich die Rechenleistung des dezentralen HPC-Clusters anpasst. Der Cluster verteilt sich über mehrere Windenergieanlagen und muss die schwankende Energieverfügbarkeit optimal ausreizen. Außerdem erforscht das Vorhaben die Auswirkung unterschiedlicher Architekturen und Betriebsstrategien auf die Nachhaltigkeitsbewertung des Zielsystems. Für die KI-gestützte Betriebsführung werden Verhaltens- und Vorhersagemodelle zur Infrastruktur und dem lokalen Energienetz benötigt, die noch nicht verfügbar sind.
Die wissenschaftlichen und technischen Herausforderungen des Vorhabens liegen unter anderem
- in der intensiven Datenerschließung und -nutzung (Energienetz & Infrastruktur),
- in der Integration künstlicher Intelligenz in Regelkreisläufe sowie
- in der systemischen Zusammenführung aller Modelle mithilfe eines digitalen Zwillings.
Im Mittelpunkt stehen dabei Vorhersagen zur wetterabhängigen lokalen Energieverfügbarkeit, sowie präzise Verhaltensmodelle aller in Wechselwirkung stehender Gewerke bezüglich ihrer Leistungsaufnahme und Wärmeabgabe.
Neuartiges Konzept mit intelligenter Schaltung
Eine Besonderheit und Innovation des Projekts ist es, dass der Turm einer Windenergieanlage als potenzielle Wärmesenke eingebunden wird, wenn kein Abwärme-Nehmer vorhanden ist oder dieser die Abwärme gerade nicht benötigt. Der Turm kann die Abwärme der IT-Systeme dann aufnehmen und herunterkühlen. Diese Funktion soll gemeinsam mit der Energieverfügbarkeit als Leitlinie für den Betrieb des HPC-Clusters genutzt werden. Das bedeutet konkret: Das System läuft nur, wenn erneuerbare Energie verfügbar ist und Abwärme nahezu CO2 neutral abgeführt werden kann. Zunächst liegen die Schwerpunkte in dem Vorhaben 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 aber nicht nur für Windenergieanlagen, sondern auch für weitere HPC-Systeme mit Abwärme-Erzeugern und Abwärme-Nutzern übertragbar sein, da das Forschungsprojekt sich mit folgenden Fragen beschäftigt:
- Wie kann man mit Abwärme aus den unterschiedlichsten Industriebereichen umgehen, sie also nutzen?
- Welche Systeme aus Erzeugern und Nutzern sind dabei sinnvollerweise zu verbinden?
- Welche Aufgaben können Methoden der künstlichen Intelligenz übernehmen?
Über das Verbundprojekt „Energieoptimierte Supercomputer-Netzwerke durch die Nutzung von Windenergie“
Das Verbundprojekt leitet der SICP – Software Innovation Campus Paderborn an der Universität Paderborn. In Kooperation mit WestfalenWind IT entstand die Idee für die windCores. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Projekt nun (Stand März 2023) für die nächsten drei Jahre mit rund 2,5 Millionen Euro. Zum Konsortium gehören außerdem die Universität Passau, das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM sowie die Unternehmen AixpertSoft GmbH, Atos Deutschland, Rittal und Zattoo. (eve)
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