Hoch­lei­tungs­rech­nen, auch High-Per­for­mance Com­pu­ting (HPC) genannt, ist mitt­ler­weile eine wich­tige Methode in vie­len wis­sen­schaft­li­chen Berei­chen wie etwa der Medi­ka­men­ten- oder Kli­ma­for­schung. Die Rechen­zen­tren mit ener­gie­in­ten­si­ven Super­com­pu­tern set­zen jedoch Eini­ges an CO2 frei. „Ener­gie­op­ti­mierte Super­com­pu­ter-Netz­werke durch die Nut­zung von Wind­ener­gie“ (ESN4NW): Hin­ter die­sem Titel ver­birgt sich ein neues, bun­des­wei­tes Ver­bund­pro­jekt unter der Lei­tung des SICP — Soft­ware Inno­va­tion Cam­pus Pader­born an der Uni­ver­si­tät Pader­born. In Koope­ra­tion mit dem SICP-Mit­glieds­un­ter­neh­men West­fa­len­WIND IT und deren Marke wind­CORES ent­stand die Idee, eine neue HPC-Infra­struk­tur mit einem nach­hal­ti­gen Kon­zept zu ent­wi­ckeln. Das Bun­des­mi­nis­te­rium für Bil­dung und For­schung (BMBF) för­dert das Pro­jekt nun 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, Rit­tal, Atos Deutsch­land und Zattoo.

Rechen­zen­tren kli­ma­neu­tral versorgen

Gemein­sam erfor­schen und demons­trie­ren die Verbundpartner*innen das Poten­zial soge­nann­ter „wind­CORES“. Das 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 (WEA) 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*innen 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 WEA 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“, erläu­tert Dr. Gun­nar Scho­ma­ker, Mana­ger im SICP. „Im Mit­tel­punkt ste­hen dabei Vor­her­sa­gen zur wet­ter­ab­hän­gi­gen loka­len Ener­gie­ver­füg­bar­keit, sowie prä­zise Ver­hal­tens­mo­delle aller in Wech­sel­wir­kung ste­hen­der Gewerke bezüg­lich ihrer Leis­tungs­auf­nahme und Wär­me­ab­gabe“, so Scho­ma­ker weiter.

Inno­va­ti­ves Kon­zept mit intel­li­gen­ter Schaltung

Eine Beson­der­heit und Inno­va­tion des Pro­jekts ist es, dass der Turm einer WEA 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 WEA, son­dern auch für wei­tere HPC-Sys­teme mit Abwärme-Erzeu­gern und Abwärme-Nut­zern über­trag­bar sein.

„Das Vor­ha­ben adres­siert im beson­de­ren Maße die Her­aus­for­de­run­gen der Ener­gie­wende und Digi­ta­li­sie­rung. Wir wol­len zei­gen, dass der stei­gende Ener­gie­be­darf der Digi­ta­li­sie­rung keine Sack­gasse für mehr Nach­hal­tig­keit bil­det und dass diese Wachs­tums­be­darfe auch zeit­lich und räum­lich fle­xi­bel durch rege­ne­ra­tive Ener­gien abge­deckt wer­den kön­nen“, beschreibt Dr. Fiete Dub­berke, Geschäfts­füh­rer von West­fa­len­WIND IT, die Pro­jekt­ziele. „Dabei stel­len wir uns fol­gende Fra­gen: Wie kön­nen wir mit Abwärme aus den unter­schied­lichs­ten Indus­trie­be­rei­chen umge­hen, sie also nut­zen? Wel­che Sys­teme aus Erzeu­gern und Nut­zern sind dabei sinn­vol­ler­weise zu ver­bin­den und wel­che Auf­ga­ben kön­nen Metho­den der künst­li­chen Intel­li­genz über­neh­men?“, führt Scho­ma­ker aus. Das mit dem „Deut­schen Rechen­zen­trums­preis“ prä­mierte „windCORES“-Konzept habe bereits gezeigt, dass eine Ver­schmel­zung einer WEA mit einem Rechen­zen­trum auch wirt­schaft­lich erfolg­reich umge­setzt wer­den kann.