Wasserkühlung verringert Ressourcenbedarf

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Die Digitalisierung ist bekanntlich zugleich Chance und Risiko für den Klimaschutz. Die zunehmende Nutzung digitaler Technik führt auf der einen Seite zu steigendem Energie- und Ressourcenverbrauch, bietet jedoch auf der anderen Seite neue Möglichkeiten, dem Klimawandel entgegenzuwirken.

Auch die Nachfrage nach Rechenzentren ist durch den Wandel der IT-Infrastruktur, verstärktes Streaming und das Internet of Things stark gestiegen. Und die Verarbeitung der enormen Datenmengen benötigt viel Strom: Allein im vergangenen Jahr verbrauchten die Rechenzentren im Frankfurter Stadtgebiet ungefähr 1.600 Gigawattstunden und damit 20 Prozent des gesamten Stromkonsums der Metropole. Zum Vergleich: Für 400.000 Frankfurter Haushalte fallen ungefähr 27 Gigawattstunden an.

Auf globaler Ebene sind Rechenzentren laut den weltweit tätigen Marktforschern von Markets and Markets für zwei bis drei Prozent der gesamten Treibhausemmissionen verantwortlich. Die Forderung nach Umweltstandards für Rechenzentren wird deshalb immer lauter. Neben dem Server-Betrieb spielen auch die Kühlsysteme eine erhebliche Rolle beim Energieverbrauch: Auf sie entfallen 30 bis 60 Prozent des Energiebedarfs eines Rechenzentrums. Deshalb müssen Planer und Betreiber künftig auf umweltfreundlichere Methoden setzen, um Rechenzentren Schritt für Schritt nachhaltiger zu gestalten.

Luftkühlung stößt an Grenzen

Grundsätzlich gibt es zwei Arten von Kühlsystemen: Luft- und Flüssigkeitskühlungen. Luftkühlsysteme gelten als bewährteste Technik auf dem Markt und sind seit Jahren im Einsatz. Flüssigkeitssysteme sind dagegen – bis auf Speziallösungen – noch relativ neu. Sie bieten jedoch ein großes Potenzial in puncto Nachhaltigkeit. Bei Luftkühlsystemen strömt kalte Luft über die Hardware und um sie herum. Entstehende Wärme wird durch Luftaustausch abgeführt. Abhängig davon, wie der Luftstrom gelenkt ist, lassen sich drei Arten von Luftkühlungen unterscheiden: Raum-, Reihen- und Rack-basierende Systeme. Diese Techniken haben jahrelang gute Dienste geleistet, stoßen inzwischen jedoch in vielen Bereichen an ihre Grenzen: Da moderne Workloads eine hohe Dichte an Servern und Racks benötigen, ist der Platz im Rechenzentrum extrem begrenzt. Alte Luftkühlanlagen wären daher nachzurüsten, was schon aus wirtschaftlicher Sicht nur bis zu einem bestimmten Punkt sinnvoll ist. Zudem bedeuten mehr Lüfter und Pumpen auch einen hohen Geräuschpegel und damit eine Belastung für die Mitarbeiter.

Das Grundproblem besteht jedoch darin, dass Luft kein effizientes Wärmeübertragungsmedium ist. Beispielsweise beträgt die spezifische Wärmekapazität von flüssigem Wasser etwa 4,19 kJ/(kg K), die von Luft 1,005 kJ/(kg K). In kälteren Regionen sorgt die Außenluft für eine effiziente Kühlung. In wärmeren Regionen fällt diese Option allerdings weg. Moderne Rechenzentren benötigen daher andere Kühllösungen, um die steigenden Anforderungen an die Datenverarbeitung zu erfüllen. Sie setzen daher zunehmend auf Flüssigkeitskühlsysteme. Diese Methode hat sich unter anderem bei Großrechnern und Supercomputern als besonders effizient erwiesen. Denn Flüssigkeiten übertragen Wärme weitaus besser als Luft. So bietet Wasser eine 30-fach höhere Wärmeleitfähigkeit und eine vierfache Wärmekapazität. Eine Möglichkeit der Flüssigkeitskühlung besteht im Anbringen von Wärmetauschern an den Rückwänden der Rechnersysteme. Dort wird die warme Abluft dann direkt mit Wasser gekühlt. Die Rückkühlung erfolgt ebenfalls mit Hilfe von Wasser in Form von Verdunstungskälte.

Mit der Wasserkühlung lassen sich jedoch noch weitere Herausforderungen im Rechenzentrum bewältigen, insbesondere bei steigender Rechendichte. Der Energie- und Ressourcenverbrauch sinkt deutlich. Zudem beanspruchen die Komponenten eines Flüssigkühlungssystems weniger Platz als die Luftführung, die für die Luftkühlung nötig ist. Dies führt dazu, dass sich auch durch das geringere Bauvolumen und weniger benötigte Anlagen Einsparungseffekte erzielen lassen. Beim Bau wird weniger Platz und beim Betrieb weniger Strom verbraucht. Dadurch können Planer und Betreiber von Rechenzentren die Gebäudefläche effizienter nutzen und das Gebäudevolumen deutlich reduzieren. Dieses Argument ist vor allem im städtischen Umfeld nicht zu vernachlässigen. Hinzu kommt, dass der Standort bei direkter Flüssigkeitskühlung weniger an die klimatischen Bedingungen gebunden ist.

Fazit

Flüssigkeitskühlungen reduzieren den Energieverbrauch und Ressourcenbedarf in Rechenzentren und sorgen insgesamt für mehr Effizienz. Angesichts der steigenden Rechnerdichte und höheren Anforderungen an die Nachhaltigkeit gilt die Wasserkühlung daher als zukunftssichere Alternative zur Luftkühlung und ein Schritt in Richtung der sogenannten Net-Zero-Strategie. Dazu gehört auch eine effiziente Nutzung der Abwärme. Da die Technik bisher hauptsächlich bei Großrechnern zum Einsatz kommt, sollten sich Unternehmen bei der Umrüstung und Planung von Rechenzentren allerdings von Experten beraten lassen.

Herbert Radlinger ist Technischer Leiter bei NDC-Garbe.

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