Brandbekämpfung mit Gas, mit Wasser? Brandschutz: die Feuerprobe im Rechenzentrum

Auch ein bewährtes Brandschutzkonzept kann einmal missraten. Wie wäre es denn mit einem Fallback?

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In einem niederländischen Rechenzentrum einer öffentlichen Einrichtung hat die Branderkennung versagt, berichtet ein Insider. Ohne einen ersichtlichen Grund sprang auf einmal die Inertgas-Feuerlöschanlage ein.

Systeme zur Sauerstoffreduzierung entnehmen den benötigten Stickstoff der Luft (siehe Abschnitt „Kontinuierliche Sauerstoffreduktion mit Stickstoff- und/oder Kohlendioxid-Zufuhr“ weiter unten). Soll es aber schnell zur Sache gehen, wird ein Löschgas aus Flaschenvorräten freigesetzt, um durch die schnelle Absenkung des Sauerstoffgehalts das vermeintlich entstehende Feuer im Keim zu ersticken. So strömte das Löschgas binnen kürzester Zeit unter Hochdruck in die IT-Räume hinein.

Kein Feuer weit und breit — Problem also gelöst? Pustekuchen. Die Storage-Systeme gingen alle drauf. Der katastrophale Totalschaden der HDDs legte das Rechenzentrum lahm.

Die Löschgase

„Wie kann denn ein Inertgas Festplatten kaputt machen?“ hieß es prompt von der Versicherung. Die magnetischen Träger sind ja in den Festplattengehäusen im Vakuum oder in einer Helium-Atmosphäre dicht eingeschlossen und das Löschgas chemisch inaktiv — unmöglich also, oder?

Ein Inertgas-Feuerlöschsystem nutzt typischerweise eine Mischung aus Argon (Ar), Stickstoff (N) oder Kohlendioxid (CO₂), zum Beispiel Inergen oder Argonite. Der Brand erlischt, indem durch das Überfluten des Schutzbereichs mit diesen Gasen der Sauerstoffgehalt effektiv auf etwa 13 bis 15 Prozent, also knapp unter den Schwellenwert von 16 Prozent, fällt. Der reduzierte Sauerstoffgehalt sollte dann immer noch ausreichend sein, damit das Personal den Bereich bedienen und gegebenefalls evakuieren kann.

Einige der inerten Löschgase wie das Feuerlöschmittel „Novec 1230“ von 3M löschen das entstehende Feuer durch die Kühlung der Brandzone. Seit ihrem Debüt Mitte der neunziger Jahre haben sich diese Systeme grundsätzlich als sicher erwiesen.

Schalldruck-gedämpft: Wenn es einmal nicht brennt

Doch wenn das Löschgas die Druckflaschen verlässt, bewegt es sich durch das Rohrleitungs- und Düsennetz in den Schutzbereich mit einer sehr hohen Geschwindigkeit. Beim Austritt durch die vielen Düsen macht es dann ja auch gehörig Krach. Der Schalldruckpegel übersteigt nicht selten eine Lautstärke von 130 dB (A).

Das Ganze bringt mechanische Teile zum Schwingen und da die IT weiter läuft, schlagen sich die Vibrationen auf die Lese- und/oder Schreibzugriffe der Festplatten nieder. So hat die Löschanlage das Speichersystem beschädigt.

Der niederländische Vorfall war auch nicht ein vereinzeltes Ereignis. Vor einigen Jahren hat ein Test der Feuerlöschanlage der ING Bank in ihrem Datacenter in Bukarest, Rumänien, ebenfalls etliche Festplatten beschädigt und das Rechenzentrum für 10 Stunden außer Betrieb gesetzt.

Der Geräuschpegel

Je nach Hersteller kann der Flaschendruck von 2.200 bis 2.900 PSI (152 bis 200 bar); der Ausstoßdruck 870 bis 1.000 PSI (60 bis 69 bar) erreichen. Aufgrund der plötzlichen Zugabe von Inertgas innerhalb des Schutzbereichs ist die automatische Entlüftung zum Druckausgleich Bestandteil der Konstruktion.

Akustische Düsen können die Vibrationen zum Teil unterdrücken. So kann etwa ein Schalldämpfer, der auf den Namen „Firexting Silent“ (mit VdS-Gerätezertifizierung) hört, von der Wagner Group GmbH den Geräuschpegel von 130 dB auf 98 dB drosseln: hoch genug, dass es immer noch schnell zur Sache geht und niedrig genug, so dass die Festplatten den Aufprall der Schallknalls überleben können.

Mit der so genannten Softflutung lassen sich die Druckentlastungsflächen durch die reduzierten Druckspitzen um mehr als 50 Prozent mindern. Das System ist unter anderem beim DARZ, dem Darmstädter Rechenzentrum, als Teil einer Firexting-Gaslöschanlage auf Stickstoff-Basis in einem ehemaligen Tresorgebäude im Einsatz.

HDD-störende Vibrationen lassen sich dennoch niemals vollständig ausschließen. Geräusche aus verschiedenen Quellen können sich überlagern. Bereits der Feueralarm kann HDDs permanent außer Betrieb setzen. Zudem unterscheiden sich die Festplatten in ihrer Empfindlichkeit in Abhängigkeit vom Frequenzbereich der Vibration.

Da die Umstellung auf All-Flash-Arrays voraussichtlich noch etliche Jahre in Anspruch nehmen wird, ist die Gefahr der Beschädigung von Storage-Systemen in Rechenzentren beim Auslösen einer Löschanlage eine reale Bedrohung.

Ein brennendes Problem

Brand ist nach wie vor eine der Hauptursachen für Ausfälle von Rechenzentren. In Deutschland kommt es in einem Unternehmen rund alle fünf Minuten zu einem Brandereignis, so die VdS Schadenverhütung GmbH, ein Unternehmen des Gesamtverbandes der Deutschen Versicherungswirtschaft e.V.

Überhitzung (93 Prozent) und Feuer (91 Prozent) seien die zwei Hauptgründe für Rechenzentrumsausfälle, fand die Studie „Entwicklung und Zukunft der Rechenzentren 2018“ im Auftrag des Expertengremiums der 7Alliance (7-alliance.de) heraus. „Hitze und Feuer gehören definitiv zu den großen Gefahren für die empfindlichen Server“, sagt Thomas Lechner, Geschäftsführer der INST-IT und Mit-Initiator der 7Alliance. Hardware könne schon durch kleinste Partikel Schaden nehmen, argumentiert er weiter. Brennt ein Kabel sogar ganz durch, kommt es zum Kurzschluss.

Ein Kabelschmorbrand der elektrischen Installation in einem Rechenzentrum des nordamerikanischen Kommunikationsanbieters AT&T in Richardson im U.S.-Bundesstaat Texas vergangenes Jahr begann im Netzschalter und breitete sich über die Kabelinstallation aus. Das primäre und das Notstromsystem seien komplett ausgebrannt. Die eigentliche Ursache ist nach wie vor unbekannt.

Die Vesdas

Ein verlässlicher Brandschutz beginnt durch die Überwachung der zirkulierenden Luft zur Brandfrüherkennung. Ansaugrauchmelder haben da einen Zeitvorsprung vor konventionellen Systemen, wo der entstehende Rauch die Melder nur verspätet und in hochverdünnter Form erreicht. So setzt das DARZ auf ein Ansaugrauchmeldesystem der Wagner Group GmbH mit hoch sensibler Branddetektion (very early smoke detection system = Vesda. Ergänzend kommen Punktmelder hinzu, die von dem Ansaugrauchmeldesystem unabhängig sind.

Das größte Problem ist aber dann immer noch da: Der Druckanstieg am Anfang des Löschvorgangs ist immer noch extrem. Hier hat sich Wagner die so genannte Softflutung ausgedacht. Durchflussregler an den Löschmittelflaschen sorgen dafür, dass die Druckspitzen insbesondere am Anfang sich in akzeptablen Grenzen halten.

Für das DARZ-Rechenzentrum war es auch wichtig, dass die Softflutungseinrichtung sich in der Größe in Grenzen hielt. Die benötigten Druckentlastungsöffnungen fielen durch die Wahl der Softflutungseinrichtung deutlich kleiner aus.

So macht es das DARZ

Auf diese Weise war es möglich, Löschbereiche des ersten Untergeschosses des DARZs über lediglich ein bauseitiges F90-Kanalsystem umzusetzen. Die komplette Druckentlastung für das erste Untergeschoss ließ sich somit mit einer simplen Öffnung ins Freie realisieren.

Dem DARZ war dies recht, weil es möglich gemacht habe, die hohen Ansprüche der DARZ GmbH im Hinblick auf die IT-Sicherheit zu realisieren. Die Hochsicherheits-Gebäudehülle (ehemals ein Tresor) blieb so unberührt und die Kosten überschaubar.

Zu den größten Herausforderungen in der Implementierung eines Brandlöschsystems zählt die Gewährleistung physischer Sicherheit der Stickstoffvorräte (falls Stickstoff anstelle von Kohlendioxid zum Einsatz kommen sollte). Das Gas mag unter normalen atmosphärischen Bedingungen nicht brennbar sein, dennoch führt ein Temperaturanstieg auf 1530 Grad schon bei normalem Druck zum Aufbrechen der Dreifach-Bindung zweier N-Atome, was die Freisetzung von enormen Energiemengen zur Folge hat.

Übersetzt in die Praxis: Im Brandfall besteht für Stickstoffgasflaschen in der Gegenwart von Sauerstoff Explosionsgefahr. Erst ohne ausreichenden Sauerstoff kann das Brand- und Explosionsrisiko ausgeschlossen werden. Systeme zur kontinuierlichen Sauerstoffreduktion können Abhilfe schaffen.

Kontinuierliche Sauerstoffreduktion mit Stickstoff- und/oder Kohlendioxid-Zufuhr

Vielerorts wird seit Jahren als eine Brandschutzmaßnahme die kontinuierliche Sauerstoffreduzierung dank Lösungen wie „Oxyreduct“ von der Wagner Group GmbH erfolgreich praktiziert. Das Prinzip ist denkbar einfach.

Die Brennbarkeit von Feststoffen steht im direkten Zusammenhang mit der Verfügbarkeit des Sauerstoffs. Durch Einleiten anderer Gase wie eben Stickstoff oder Kohlendioxid lässt sich die Sauerstoffkonzentration exakt unter den eingestellten Schwellenwert absenken und auch über längere Zeit auf diesem Niveau stabilisieren. Diese Schutzatmosphäre schließt die Entstehung eines offenen Brandes aus, da der vorhandene Sauerstoff für ein Feuer nicht mehr ausreicht.

Wagner bietet mit der Oxyreduct-Linie eben solche Stickstoff-basierte Sauerstoffreduktionsanlagen. Die damit geschützten Räume gelten im Übrigen als begehbar.

78 Prozent der Atemluft besteht aus dem nicht-toxischen Stickstoff und rund 20,9 Sauerstoff, den Rest machen Kohlendioxid und Argon aus. Eine Anlage zur Sauerstoffreduzierung wie die im Rechenzentrum der DARZ GmbH oder im Rechenzentrum des Niedersächsischen Landtags kann den benötigten Stickstoff der Umgebungsluft entnehmen, um diese Werte zu beeinflussen.

Für das texanische Rechenzentrum von AT&T kommen die Erkenntnisse reichlich spät.

Die Wagner Group und das DARZ-Rechenzentrum haben bei ihrem gemeinsamen Projekt hohen Wert darauf gelegt, Probleme von vorneherein zu vermeiden, anstatt sie im Nachhinein bloß ausbaden zu müssen. So sorgt hier die aktive Brandvermeidung für einen Sauerstoffgehalt von maximal 15,9 Prozent. Dieser Wert unterschreitet die Entzündungsgrenze typischer IT-Materialien, angewandte Chemie. Ein Brand kann sich so nicht mehr wie ein Lauffeuer ausbreiten und wird so im Keim erstickt.

Lesetipp. „Das neue Datacenter von Noris Network, Technik vom Feinsten und gut durchdacht - das Rechenzentrum München Ost“ Wie Noris Network den Brandschutz in seinem Ascheimer Rechenzentrum macht, steht im Kapitel „Clever: Zwei-Phasen-Brandbekämpfung“

Mit dieser Lösung gelang es dem DARZ-RZ, mehrere Probleme auf einmal zu adressieren. Das VdS-Zertifikat war so schnell im Kasten und auch den Anforderungen der Feuerwehr, des TÜVs und nicht zuletzt der Baubehörde Folge geleistet.

Und wenn es doch einmal brennt — Wasser(nebel) als Löschmittel?

Einige der breit eingesetzten Löschmittel sind derart umweltschädlich, sie hätten sich längst einen Ersatz verdient. Dabei schneidet bereits das älteste, meist genutzte und am weitesten verbreitete Löschmittel der Welt in der Praxis respektabel gut ab: Wasser.

Wasser hat im Vergleich zu patentierten (meist giftigen) Brandschutzchemikalien hervorragende Brandbekämpfungseigenschaften und steht als ein umweltfreundliches Löschmittel im Einklang mit den Schutzzielen der Nachhaltigkeit. Die Herausforderungen liegen in der Implementierung.

Herkömmliche Sprinkleranlagen eignen sich nicht für Rechenzentren, da sie die Elektronik beschädigen. IT-Räume einfach darauf los mit Wasser zu begießen geht im Nachhinein dann doch ziemlich ins Geld.

Löschen mit Nebel

Einen alternativen Ansatz hat die Marioff GmbH entwickelt, ein Anbieter von Hochdruckwassernebel-Brandschutz-Lösungen mit Sitz im brandenburgischen Hoppegarten. Die Marioff-Gruppe ist ein global tätiges Unternehmen, Teil der börsennotierten United Technologies Corporation mit Hauptquartier im U.S.-Bundesstaat Connecticut.

Lösungen der „HI-Fog“-Produktlinie von Marioff versprühen zur Vermeidung elektrischer Schäden kein Wasser, sondern einen Hochdruckwassernebel. Die Vernebelung reduziert die Wassermenge, der Druck erhöht die Reichweite. So gelangt bis zu 90 Prozent weniger Flüssigkeit in die Luft als im Falle von herkömmlichen Anlagen. Wo normalerweise 5.000 Liter Wasser in die Luft gelangen, begnügt sich HI-Fog mit gut einem Zehntel (also 470 Litern, um genau zu sein).

HI-FOG kann je nach Produktvariante Raumhöhen von bis zu 4m, bis zu 5m und sogar bis zu 11m abdecken. Die Lösung eignet sich sowohl für RZen in gewöhnlichen RZ-Gebäuden, als auch für solche in mehrstöckigen Hochbauten und in Industriehallen (außer in solchen mit Metallbrandgefahr oder wo der Kontakt mit Wasser eine Gefahrenerhöhung bedeutet.)

HI-FOG ist aber nur eine Teillösung. Eine Anlage zur direkten Sauerstoffreduktion, Stickstoff-Schnellabsenkung und auch ein aktives Ansaugrauchmeldesystem sollte im Idealfall noch hinzukommen.

* Das Autorenduo Anna Kobylinska und Filipe Pereira Martins arbeitet für McKinley Denali Inc. (USA).

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