Flüssig- und Trockenkühlung in einer Welt mit Wasserknappheit

Flüssigkeitskühlungstechnologie

Flüssigkeitskühlsysteme verfügen über zwei separate Kühlkreisläufe: das Technologiekühlsystem (Technology Cooling System, TCS) und das Anlagenwassersystem (Facility Water System, FWS).

Das TCS läuft durch einen Wärmetauscher, der seine Wärme an das FWS überträgt. Dadurch wird die Flüssigkeit, die durch die Computerausrüstung zirkuliert, von der Flüssigkeit getrennt, die die Wärme an die Atmosphäre oder bei geothermischer Kühlung in den Boden abgibt.

Technologiekühlsystem

Die Anforderungen an diese beiden Flüssigkeitskreisläufe unterscheiden sich hinsichtlich Durchflussraten, physischen Drücken und Reinheit. Flüssigkeiten im TCS, Wasser oder Kältemittel, müssen durch kleine Öffnungen in der Computerhardware fließen, die leicht durch Fremdkörper verstopft werden können. Die gleiche Flüssigkeit zirkuliert, da der Kreislauf innerhalb des Computerbereichs geschlossen ist. Bei diesem Prozess geht keine Flüssigkeit verloren, sodass hier keine Einschränkungen gelten.

Da der Energieverbrauch bei der Planung von Rechenzentren eine wichtige Rolle spielt, ergibt sich daraus ein schwieriger Kompromiss zwischen Strom- und Wasserverbrauch, insbesondere in Gebieten mit Wasserknappheit.

Anlagenwassersystem

Die Flüssigkeit im FWS besteht hauptsächlich aus Wasser, das in kalten Umgebungen mit Glykol gemischt wird, um ein Gefrieren zu verhindern. Es wird gefiltert und behandelt, um Korrosion und Kalkablagerungen in Rohren, Pumpen und Wärmetauschern zu reduzieren, jedoch nicht in dem Maße wie beim TCS. Die Sorge beim Wasserverbrauch im FWS ist, wie die Wärme aus diesem Kreislauf an die Atmosphäre abgegeben wird. Durch die Wärmeübertragung verdunstet Wasser extern über Kühltürme oder Trockenkühler, was zu Wasserverlusten führt.

Herkömmliche Kühltürme

Kühltürme sind seit langem der Standard in großen Kühlsystemen. Warmes FWS-Wasser fließt über eine Reihe von Kühlturmflächen, die wie große Kühlerlamellen aussehen. Ventilatoren saugen Luft durch das Wasser, das durch eine Kombination aus Luftstrom und Verdunstung Wärme an die Luft abgibt. Die weißen Wolken, die bei kühlerem Wetter zu sehen sind, sind Wasserdampf, der aus den Kühltürmen auf den Dächern verdunstet.

Moderne Türme verdunsten weniger Wasser als früher, aber der Wasserverlust muss dennoch ausgeglichen werden. Die tatsächliche Wassermenge hängt vom Standort und den Wetterbedingungen ab. An heißen, trockenen Tagen ist der Wasserverlust größer als an kühlen, feuchten Tagen. Trotz des Wasserverlusts bleibt dies die energieeffizienteste Kühlmethode, die es gibt.

Adiabatische Kühlung (Verdunstungskühlung)

Direkte Verdunstungssysteme leiten Wasserdampf über ein großes Rohr in den Luftstrom oder den freien Chlorkreislauf ein und sprühen Wasser von außen ein. Die schnelle Verdunstung des Wassers kühlt die Luft oder die Flüssigkeit im Rohr. Verdunstungskühlungsmethoden erhöhen die Luftfeuchtigkeit im Rechenzentrum, die überwacht werden muss, um die Sicherheit der Geräte zu gewährleisten.

Verdunstungskühlung ist in heißen, trockenen Klimazonen am effektivsten und energieeffizientesten, und der Einsatz wird in Deutschland über die 42. Bundes-Immissionsschutzverordnung geregelt. Sie stellt Anforderungen an Aufbau, Hygiene, Wartung, Anzeige- und Dokumentationspflichten. So soll vor allem das Risiko von Legionellen minimieren.

Häufig wird Verdünstungskühlung in großen Rechenzentren in Gebieten wie Phoenix, Arizona, eingesetzt, wo relativ kostengünstige und nachhaltige Wasserkraft zur Verfügung steht. Aufgrund der steigenden globalen Temperaturen gelten Phoenix und viele andere Standorte für Rechenzentren jedoch als wasserarm.

Trockenkühlung

Der Luftstrom ist neben der Geothermie die einzige verbleibende Möglichkeit, Wärme nach außen zu transportieren. Rechenzentren verwenden Trockenkühler für kleinere Systeme, bei denen große mechanische Kühlanlagen entweder unpraktisch oder zu teuer sind.

Um große Luftmengen zu bewegen, ist Ventilatorleistung erforderlich, die einer Kubikgesetzkurve folgt. Wenn die Außentemperatur steigt und ein Ventilator seine Drehzahl verdoppelt, um genügend Luft für die Kühlung zu bewegen, verbraucht er achtmal so viel Strom. Da der Energieverbrauch bei der Planung von Rechenzentren eine wichtige Rolle spielt, ergibt sich daraus ein schwieriger Kompromiss zwischen Strom- und Wasserverbrauch, insbesondere in Gebieten mit Wasserknappheit.

Dazu kommen noch Regularien für den Energiebedarf dazu: In Deutschland tritt 2026 ein striktes PUE-Limit (Power Usage Effectiveness) als Teil des Energieeffizienzgesetzes in Kraft, neue Rechenzentren dürfen einen Wert von 1,2 nicht überschreiten. Gleichzeitig schreibt eine EU-Richtlinie vor, dass bei einem Rechenleistungsbedarf ab 100 Kilowatt eine jährliche Energieeffizienzberichterstattung erstellt werden muss.

Größe und Dichte sind zwei Unterscheidungsmerkmale zwischen Trocken- und Flüssigkeitskühlung. IT-Hardware ist kompakt, sodass die Wärme auf kleinem Raum gebündelt wird, was die Wärmedichte erhöht. Aufgrund der begrenzten Flüssigkeitskühlungsoptionen müssen Rechenzentren Außenluftkühler verwenden, die große Luftmengen effizient an Flüssigkeitsspulen vorbeiführen können. Beachten Sie, dass Wasser in Flüssigkeitsspulen nicht verdunstet, sodass diese nicht unter Beschränkungen fallen.

Die obige Grafik veranschaulicht den erheblichen Kompromiss zwischen Strom- und Wasserverbrauch für Kühlturm- und Trockenkühlersysteme in drei verschiedenen Klimazonen der USA. Trockenkühler leiten kein Wasser in die Atmosphäre ab, verbrauchen jedoch deutlich mehr Strom, um die Wärme abzuleiten. Auch wenn dies nicht ideal ist, wird sich dieser Trend in allen Rechenzentren fortsetzen, da die Sorge um Wasserverschwendung zunimmt. Da sie noch weit von der Energieeffizienz wassergekühlter Systeme entfernt sind, setzen viele Rechenzentren auf hybride Systeme mit Verdunstungs-, Trocken- und Flüssigkeitskühlung, angepasst an den Standort und das dort herrschende Klima.

Vorerst bleibt Flüssigkeitskühlung der Standard für dichtgepackte KI-Hardware, also bei Rack-Dichten bis zu 120 Kilowatt, oder es werden hybride Systeme eingesetzt. Die PUE ist niedriger – meist unter 1,05 – und somit die Energieeffizienz besser, dafür der Wasserverbrauch höher. Teilweise nutzen Rechenzentren auch natürliche Kühlsysteme wie Seen oder das Meer, beispielsweise in Schweden oder Finnland.