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An der Flüssigkeitskühlung führt kein Weg vorbei
Flüssigkeitskühlung wird mit den zunehmenden Dichten und Umweltschutzanforderungen im Rechenzentrum zur wichtigen Zukunftstechnologie. Unser Gastautor erklärt, worauf es ankommt.
Rechenzentren und Serverräume sind das Rückgrat der Digitalisierung, aber sie haben einen hohen Energiebedarf: 2020 belief sich ihr Energieverbrauch auf rund drei Prozent des gesamten deutschen Stromverbrauchs – Tendenz steigend. Laut einer Befragung des Branchenverbands Bitcom e.V. aus dem Jahr 2022 gehen RZ-Betreiber mehrheitlich davon aus, dass die IT-Fläche, die Zahl der Server und der Stromverbrauch bis 2030 um knapp ein Viertel zunehmen werden.
Den größten Energiebedarf im Rechenzentrum hat nach den Servern die Kühlanlage. Vernetzte IT-Infrastrukturen mit hoher Dichte benötigen einen dauerhaften und zuverlässigen Schutz vor Überhitzung. Das führt zu einem enormen Energieaufwand: Belief sich der Strombedarf von Rechenzentren 2010 noch 10,5 Milliarden kWh Strom, waren es 2020 schon insgesamt 16 Milliarden kWh.
Herkömmliche Kühlsysteme stoßen bei den dabei entstehenden Temperaturen an ihre Grenzen. Die Folgen reichen von horrenden Energiekosten über Ausfälle und Datenverlust bis hin zu Bränden. Gefragt sind fortschrittliche Technologien für das Wärmemanagement, die den spezifischen Bedürfnissen und Herausforderungen der verschiedenen Umgebungen von Rechenzentren gerecht werden und der thermischen Belastung standhalten.
Nachhaltige Kühlungslösungen für Rechenzentren
Flüssigkeitskühlung bietet einen energieeffizienten und nachhaltigen Weg, dem steigenden Energiebedarf entgegenzuwirken und trotzdem eine zuverlässige Kühlung zu gewährleisten. Die Kühlung mit Flüssigkeit arbeitet durch die höhere Wärmeleitfähigkeit von Wasser im Vergleich zur Luft deutlich effizienter. Sie spart daher Strom und somit Kosten. Zusätzlich ist sie platzsparender und erlaubt den Einsatz kleinerer Pumpen und Rohre. Ein weiterer Vorteil: Da erhitztes Wasser deutlich leichter zu transportieren ist als erhitzte Luft, wird mit einer Flüssigkeitskühlung die Abwärmenutzung ein realistisches Szenario.
Auf dem Markt gibt es derzeit vier grundlegende Sorten von Kühlsystemen:
- Luftkühlung. Die Wärme wird direkt an die Umgebungsluft abgegeben; eine klassische Kühltechnik, die in Rechenzentren weit verbreitet ist.
- Indirekte Wasserkühlung. Die Wärme wird über einen Luft/Wasser-Wärmetauscher, der sich innerhalb der Reihe oder in einzelnen Schränken befindet, aus der Luft an das Wasser abgegeben.
- Direkte Wasserkühlung. Wasser nimmt die Wärme direkt von einem am Gerät angebrachten Wärmeübertragungselement, zum Beispiel einer Kühlplatte, auf.
- Hybride Wasserkühlung (direkt und indirekt). Die energieintensivsten Komponenten erhalten eine selektive direkte Flüssigkeitskühlung, während der Rest des Schranks durch ein sekundäres Luft/Wasser-Gerät gekühlt wird, zum Beispiel über die Schrankrückseite.
Den Umstieg meistern
Flüssigkeitskühlung ermöglicht eine höhere Energieeffizienz, mehr Leistung auf kleinerem Raum und den Ausbau einer nachhaltigeren Infrastruktur – ein Umstieg bietet sich also an. Dabei sind mehrere Faktoren zu berücksichtigen. Neben der Anordnung von IT-Geräten innerhalb des Rechenzentrums ist der aktuelle und zukünftig erwartete Kühlbedarf entscheidend für die effiziente Nutzung des verfügbaren Platzes und der Kühlkapazität. Ebenso wichtig ist das Beachten bestehender oder zukünftiger Standards und Vorschriften sowie der Zeitrahmen und das Budget für die Modernisierung der Anlagen.
Bei den verschiedenen Arten der Flüssigkeitskühlung sollten Sie je nach Bedarf und Möglichkeiten abwägen, was die passendste Lösung für Ihr Unternehmen ist. Die direkte Liquid-to-Liquid-Variante ist die effizienteste. Doch sie erfordert das Verlegen von Leitungen für die Flüssigkeit, Ventile und Anschlüsse, die Sie an verschiedenen Stellen im Rack und im gesamten Rechenzentrum installieren lassen müssen. Dementsprechend sind die anfänglichen Investitionen höher. Langfristig lohnen sie sich jedoch durch verbesserte Leistung, Kapazität, Zukunftssicherheit und Energieeffizienz.
„Flüssigkeitskühlung wird schon bald die dominierende Form der Kühlung sein – ihre Energieeffizienz, Zuverlässigkeit und damit Zukunftssicherheit lassen daran keinen Zweifel.“
Mustafa Karabuz, nVent
Auch die Wahl des passenden Kältemittels ist für die Effizienz wichtig: Sie haben die Wahl zwischen Flüssigkeiten auf Kohlenwasserstoffbasis oder auf Fluorkohlenwasserstoffbasis. Während die einen weniger schnell verdampfen, müssen die anderen öfter ausgetauscht werden. Die Wahl sollte sich an der bestehenden Infrastruktur des Rechenzentrums orientieren.
Das Umrüsten einer bestehenden Anlage auf eine vollständige Liquid-to-Liquid-Kühlung kann die Betreiber von Rechenzentren vor eine Herausforderung stellen. Oft ist es nicht möglich beziehungsweise mit enormen Kosten verbunden, die Flüssigkeitsinfrastruktur in bestehende Gebäude zu integrieren. Doch es gibt weitere Möglichkeiten, den Umstieg zu wagen. Einige Rechenzentren sind an Flüssigkeitskühlung interessiert, verfügen aber nur über eine Luftkühlungsinfrastruktur. Für sie gibt es eine Alternative: Liquid-to-Air-Kühlung.
Wie bei der Flüssigkeit-zu-Flüssigkeit-Kühlung werden bei der Flüssigkeit-zu-Luft-Kühlung Prozessoren und Serverkomponenten entweder durch direkten Kontakt mit Flüssigkeit (Cold Plate) oder durch Eintauchen (Immersion) in die Flüssigkeit gekühlt. Die Flüssigkeit zirkuliert innerhalb des Servergehäuses und Racks in einem sekundären Kreislauf und überträgt die Wärme über einen intelligenten Wärmetauscher. Je nach Art des Wärmetauschers kann entweder die Luftkühlungsinfrastruktur die Wärme aus dem Raum ableiten oder eine Coolant Distribution Unit (CDU) übergibt die Wärme an den primären Flüssigkeitskreislauf des Gebäudes.
Flüssigkeitskühlung als zukunftssichere Alternative
Die Flüssigkeitskühlung bietet im Vergleich zu anderen Kühlmethoden eine hohe Investitionsrendite und niedrige Gesamtbetriebskosten. Angesichts der steigenden Datenmengen und höheren Anforderungen an Nachhaltigkeit und Energieeffizienz gilt die Flüssigkeitskühlung als zukunftssichere Alternative zur Luftkühlung – und als einen Schritt hin zur Klimaneutralität.
Flüssigkeitskühlsysteme sollten orientiert an den spezifischen Parametern einer IT-Infrastruktur geplant und installiert werden, um so Energieeffizienz, Ausfallsicherheit und einen geringen Ressourcenverbrauch sicherzustellen. Eine Übergangszeit kann mit Verbindungselementen wie CDUs bewältigt werden.
Über den Autor:
Mustafa Karabuz ist Vice President und Generalmanager bei nVent. Das Unternehmen mit Sitz in Frankfurt ist Anbieter für Schränke und Verpackungen sowie Rechenzentrumsinfrastruktur nach dem Grundsatz: Verbinden und Schützen.
Die Autoren sind für den Inhalt und die Richtigkeit ihrer Beiträge selbst verantwortlich. Die dargelegten Meinungen geben die Ansichten der Autoren wieder.
