Das grosse Potenzial der Abwärme

Der Name IBM steht eigentlich für Computertechnologie. Doch der Grund für den Besuch in den Labors im IBM-Forschungszentrum in Rüschlikon ist ein anderer: Hier wird nämlich nicht nur an leistungsfähigen Computerchips und Servern geforscht, sondern auch an die Energiewende und den Klimaschutz gedacht. Was überrascht, hat eine Logik.

Seit Jahren entwickelt Bruno Michel IBM-Kühlsysteme für Grosscomputer. Der IBM-Forscher zeigt die Zukunft: Prototypen von Prozessoren, auf deren Rückseite ein Mikrokanalsystem platziert ist, durch das Wasser zum Kühlen fliesst. Allmählich wird die bisher vielfach verwendete Luftkühlung durch eine innovative Wasserkühlung der Chips abgelöst. Immerhin leitet Wasser die Wärme 20-mal besser als Luft und hat, auf das Volumen bezogen, eine 4000-mal höhere Wärmekapazität. «Für diese Entwicklung brauchte es trotzdem viel Überzeugungskraft», sagt Michel.

So arbeiten seit 2009 die ersten mit Wasser gekühlten IBM-Server im Supercomputer Aquasar an der ETH Zürich. Kühlmedium ist 60 Grad heisses Wasser. Das spart die Kosten einer Kältemaschine, die kalte Luft oder Wasser zur Kühlung der Server bereitstellen würde. Der Einsatz von heissem Wasser ist energetisch der Kühlung mit kalter Luft überlegen. «Um die Kälte zu erzeugen, braucht es nochmals so viel Energie, wie der Computer selbst verbraucht», sagt Michel. Das erste kommerzielle System mit Warmwasserkühlung stammt ebenfalls von IBM und steht seit drei Jahren am Leibniz-Rechenzentrum in München. Dort wird Wärme, die beim Chip entsteht, über ein Mikrokanalnetz abgeführt. Kühlmittel ist 40 Grad warmes Wasser. So kann der Supercomputer selbst bei Spitzenauslastung sicher betrieben und die Abwärme zur Heizung von Büroräumen eingesetzt werden.

Vom Blutkreislauf inspiriert

Die IBM-Forscher liessen sich bei der Entwicklung vom menschlichen Blutkreislauf inspirieren, der im Körper die Temperatur reguliert. In Zukunft soll die Wärme direkt bei jedem einzelnen Chip über einen weit verzweigten Kühlkreislauf abgeschöpft werden. Die Abwärme wird zum Heizen von Gebäuden genutzt, wie das bei den Supercomputern an der ETH und in München bereits der Fall ist.

Und sie möchten noch einen Schritt weiter gehen: Die Erfahrungen mit heisswassergekühlten Servern möchten die IBM-Forscher für die Entwicklung einer neuen Wärmepumpe verwenden, die nicht durch stromfressende Kompressoren wie bei herkömmlichen Anlagen angetrieben wird, sondern allein durch Abwärme. Das Ziel ist ehrgeizig: Die Wärmepumpe soll zehnmal weniger Strom verbrauchen bei der Wärmeproduktion als bisherige Kompressionspumpen und fünfmal effizienter sein, wenn sie als Kühl- oder Klimaanlage dient.

Solche fachübergreifenden Projekte können nur im Forschungsverbund verwirklicht werden. Unter der Federführung von IBM Research in Zürich und der Hochschule für Technik Rapperswil arbeiten beim Projekt Thrive des Schweizer Nationalfonds-Programms NFP 70 weitere Institute mit – wie die ETH Zürich, die Empa, das Paul-Scherrer-­Institut und die Ingenieur-Hochschule Heig-VD sowie Industriepartner.

Einfaches Prinzip

Das Prinzip der sogenannten thermischen Adsorptionswärmepumpe ist raffiniert und nützt die Thermodynamik verschiedener Stoffe aus. IBM-Forscher und Thrive-Projektleiter Patrick Ruch erklärt das grundsätzliche Verfahren mithilfe einer einfachen Demonstrationsanlage: Zwei Glasbehälter sind über einen Schlauch miteinander verbunden. Im einen Glasbecher ist Wasser als Kühlmittel, im andern ein Silikagel als Adsorptionsmaterial. Eine Wärmebildkamera bildet den thermodynamischen Prozess ab. Bereits nach kurzer Zeit reagiert das vereinfachte System: Das Wasser verdampft durch die Umgebungswärme und entzieht dem einen Behälter Wärme, kühlt ihn also ab. Der Dampf wird vom Sorptionsmaterial Silikagel im anderen Behälter aufgenommen und produziert Wärme. In einer grossen Anlage würde sie zum Heizen benutzt.

Das Experiment ist zu kurz, um die weiteren Prozesse zu beobachten. Doch diese sind bekannt: Ist das Silikagel schliesslich mit Wasserdampf gesättigt, beginnt die sogenannte Desorption. Das Gel wird von aussen erwärmt und getrocknet. Dabei setzt es das aufgenommene Wasser wieder dampfförmig frei, das letztlich wieder zum kühleren Glas fliesst, wo es kondensiert und Nutzwärme abgibt. Ist der Prozess abgeschlossen, beginnt das Verfahren neu.

So wippt der Kreislauf hin und her und gibt dabei stets Wärme ab oder kühlt. In der vereinfachten Demonstration reicht Umgebungswärme und Warmluft – für die zukünftige Wärmepumpe könnten Server, Sonnenkollektoren oder Industrieprozesse die nötige Wärmeenergie liefern.

Das Prinzip ist nicht neu, und bereits sind Adsorptionswärmepumpen auf dem Markt. Diese wurden jedoch nicht für Temperaturen entwickelt, die bei der Abwärme von Servern oder Sonnenkollektoren anfallen. «Die grosse Herausforderung ist der Transport der Wärme und des Dampfes», sagt Matthias Rommel, Leiter des Instituts für Solartechnik an der Hochschule für Technik in Rapperswil. Je weniger Wärme beim Energietausch im System verloren geht, umso tiefer liegt die Antriebsenergie und entsprechend effizienter funktioniert das System. «Um die Ziele zu erreichen, braucht es eine Antriebsenergie von 60 bis 80 Grad», sagt Rommel.

In wenigen Jahren markttauglich

Die Forscher hoffen, dass in den nächsten drei Jahren ein erster Prototyp präsentiert werden kann, der mit den herkömmlichen Anlagen konkurrieren kann. «Heute wären die Anschaffungskosten dreimal höher», sagt der Leiter des Thrive-Projekts, Bruno Michel. Doch er ist optimistisch, dass schon in wenigen Jahren ein markttaugliches Produkt machbar sei.

Die Technik ist das eine. Was die Forscher aber bis heute noch nicht genau wissen: wie viel Niedertemperaturquellen es in der Industrie oder in der Computerbranche überhaupt gibt und welche für diesen Typ Wärmepumpe infrage kommen. Für die Energiewende wäre die neue Wärmepumpe eine weitere Option: Immerhin fliesst in der Schweiz knapp 30 Prozent des elektrischen Stroms in Elektroheizungen, Boiler und Industrieprozesse. Rund 14 Prozent des Stromverbrauchs wird laut Schweizerischem Verein für Kältetechnik für Kühl- und Klimaanlagen aufgewendet. Theoretisch, so rechnen die IBM-Forscher, liesse sich durch den Einsatz von Adsorptionswärmepumpen der Strombedarf für Heiz- und Kühlzwecke um 65 Prozent reduzieren und der Verbrauch von fossilen Brennstoffen um 18 Prozent.

Doch die Forscher denken bereits weit über die Schweizer Grenzen hinaus. Die Wärmepumpe würde sich als Kühlungssystem in klimatisch heissen Entwicklungs- und Schwellenländern eignen – besonders dort, wo kein Anschluss an ein elektrisches Netz vorhanden ist. Simulationen zum Beispiel für Saudiarabien ergaben, dass der Stromkonsum für Klimaanlagen massiv gesenkt werden könnte. Die Berechnungen fussen auf der Basis eines Einfamilienhauses mit Sonnenkollektoren. Die Internationale Energieagentur schätzt, dass der Anteil der CO2-Emissionen bei der Gebäudekühlung weltweit auf 70 Prozent steigen wird, wenn keine Alternativen angeboten werden.