Die IT ist ein wichtiger Verbündeter im Kampf gegen Klimawandel, Umweltverschmutzung und Ressourcenverschwendung. Digitalisierte und weitgehend automatisierte Prozesse ermöglichen eine effizientere Produktion, die weniger Rohstoffe benötigt und weniger Ausschuss produziert, während künstliche Intelligenz, Vernetzung und Big Data es erlauben, Ausfälle in Windparks zu minimieren, Düngermengen in der Landwirtschaft an die lokalen Boden- und Wetterverhältnisse anzupassen oder die Medikamentendosierung individuell auf Patienten maßzuschneidern – um nur einige der Möglichkeiten zu nennen.
Die zunehmende Digitalisierung führt jedoch auch zu einem höheren Verbrauch von Energie und Ressourcen. Die EU-Kommission schätzt, dass der Energiebedarf der Rechenzentren in den 28 Mitgliedsstaaten bis 2025 auf über 90 Terawattstunden pro Jahr (TWh/a) steigen wird – im Vergleich zu 2018 ein Zuwachs von mehr als 20 Prozent. IT-Hersteller, Rechenzentrumsbetreiber, Cloud Provider und Branchenverbände haben sich deshalb 2021 zum Climate Neutral Data Centre Pact zusammengeschlossen. Sie wollen in Europa bis 2030 Klimaneutralität für Rechenzentrums- und Cloud-Infrastrukturen erreichen. Zu den Zielen gehören eine höhere Energieeffizienz, der vermehrte Einsatz erneuerbarer Energien, weniger Wasserverbrauch, der Einstieg in die Kreislaufwirtschaft und die Wiederverwendung von Abwärme.
Einige der wichtigsten Maßnahmen, mit denen diese Ziele erreicht werden können, wurden bereits in den Beiträgen „Nachhaltige IT: Warum eine grüne Digitalisierung wichtig ist“ und „Wie intelligentes Data-Center-Design zu Klima- und Umweltschutz beiträgt“ beschrieben. Im vorliegenden Artikel soll es um einen Aspekt gehen, der bislang nur am Rande gestreift wurde: die Kühlung.
Traditionelle Luftkühlung und ihre Probleme
IT-Systeme produzieren große Mengen Abwärme, die in Rechenzentren üblicherweise über Lüftungssysteme und Klimaanlagen nach außen abgeführt wird. Dabei treten vor allem folgende Nachteile auf:
- Luft hat eine vergleichsweise geringe spezifische Wärmekapazität und kann daher pro Volumeneinheit nur wenig thermische Energie aufnehmen. Kühlsysteme müssen deshalb groß dimensioniert sein, um ausreichende Mengen von Luft an den IT-Systemen vorbeiführen zu können. Das erhöht den Platzbedarf in Rechenzentren erheblich. Leistungsdichte und die Power Usage Efficiency (PUE) – ein Maß für die Energieeffizienz – sind deshalb nur begrenzt optimierbar. Mit den innovativsten Kühlsystemen auf Luftbasis sind aktuell Leistungsdichten bis zu 43 kW/Rack und PUE-Werte von 1,06 möglich (Details dazu im Artikel „Wie intelligentes Data-Center-Design zu Klima- und Umweltschutz beiträgt“).
- Eine direkte Luftkühlung ist nur bei geringen Außentemperaturen möglich. Unter subtropischen oder tropischen Bedingungen, aber auch in heißen Sommern der gemäßigten Breiten müssen Klimasysteme eingesetzt werden, die Kälte durch Kompression generieren. Diese Kältemaschinen verbrauchen viel Energie und sind häufig noch mit problematischen Kältemitteln gefüllt. Zwar ist die Verwendung von ozonschädlichen Fluorkohlenwasserstoffen (FCKW) schon lange verboten, aktuell verwendete Alternativen weisen aber zum Teil ein Treibhauspotenzial auf, das den CO2-Effekt um das bis zu 1.800-fache übersteigt.
- Die Abwärme aus der Luft lässt sich nur schwer weiter nutzen. Aufgrund der geringen spezifischen Wärmekapazität kommt eine direkte Speicherung nicht in Frage. Die Abwärme muss entweder direkt in lüftungsbasierte Heizungssysteme geleitet oder über Wärmetauscher an Flüssigkeiten abgegeben werden.
Mit Hochtemperatur-Flüssigkeitskühlung zu mehr Effizienz
Immer mehr Technologieanbieter, Rechenzentrumsbetreiber und Cloud Provider experimentieren daher mit wasserbasierten Flüssigkühlsystemen als Alternative zur Luftkühlung. Das bringt vor allem folgende Vorteile mit sich:
- Wasser hat eine zirka vier Mal höhere spezifische Wärmekapazität als Luft und kann deutlich mehr thermische Energie aufnehmen. Flüssigkühlungen benötigen daher sehr viel weniger Volumen (und damit Platz) als Luftkühlungen, was höhere Leistungsdichten und eine bessere Energienutzung mit sich bringt. So konnte das Unternehmen Green Revolution Cooling (GRC), ein Spezialist für Flüssigkühlsysteme, in Partnerschaft mit Intel eine Data-Center-Lösung auf Flüssigkeitsbasis entwickeln, die laut GRC eine Leistungsdichte von 184 kW pro Rack erzielt und PUE-Werte unter 1,03 ermöglicht.
- Eine Wasserkühlung lässt sich bei wesentlich höheren Temperaturen betreiben als eine Luftkühlung. Der Dresdner Cloud Provider und Technologieintegrator Cloud&Heat nutzt beispielsweise für seine flüssig-gekühlten Datacenter-Lösungen Temperaturen von 55° Celsius im Zulauf und 60° Celsius im Ablauf. Die Kühlung wird dadurch effizienter, die Wärmeabgabe bei hohen Außentemperaturen einfacher. Aufwändige Kompressionskühlsysteme werden so in den meisten Fällen überflüssig.
- Flüssigkühlsysteme machen es wesentlich einfacher, die Abwärme zu nutzen, statt sie einfach nur in die Umwelt abzugeben. Wie das aussehen kann, hat der Datacenter-Anbieter Submer in Zusammenarbeit mit Intel auf dem Mobile World Congress 2022 in Barcelona demonstriert. Durch die Kombination des Datacenter-Moduls SmartPod XL mit Intels für die Flüssigkühlung optimierten Servern konnte die Wärmerückgewinnung auf mehr als 99 Prozent gesteigert werden. Die so gewonnene Wärmeenergie lässt sich beispielsweise direkt für die Heizung und Warmwasserbereitung im Rechenzentrum nutzen, in ein Fernwärmenetz zur Versorgung von Häusern und Wohnungen einspeisen oder zur Erwärmung von Luft und Wasser in Gewächshäusern, Schwimmbädern und Aquakulturen einsetzen. Nach Berechnungen von Cloud&Heat könnten mindestens 40 Prozent der Abwärme eines Rechenzentrums für die Heizung von Büros und Privathäusern verwendet werden.
Fazit
Die Flüssigkeitskühlung bei hohen Temperaturen bringt im Vergleich zu luftgekühlten Systemen eine deutlich höhere Leistungsdichte, verbessert die Energieeffizienz und erleichtert es, die Abwärme von Rechenzentren weiter zu nutzen. Mit seinen für die Flüssigkühlung optimierten Xeon-Serversystemen leistet Intel einen wichtigen Beitrag zur Weiterentwicklung dieser Lösungen. Das Unternehmen kommt damit seinem in der RISE-Strategie definierten Ziel näher, eine verantwortungsvollere, integrativere und nachhaltigere Welt zu ermöglichen.