Die Strategie der Bundesregierung sieht vor, dass Deutschland seine Rechenzentrumskapazitäten bis 2030 verdoppelt. Zudem erfordert der anhaltende KI-Boom, dass neue Rechenzentren besonders performant sind: Es sollen also nicht nur mehr Rechenzentren entstehen, sie sollen auch mehr leisten. Mit steigender Leistungsdichte wächst jedoch auch die Bedeutung effizienter und resilienter Kühlkonzepte für Rechenzentren. Insbesondere KI-Anwendungen und High-Density-Racks stellen neue Anforderungen an Energieversorgung, Wärmeabfuhr und Betriebssicherheit: Zum einen müssen Betreiber bei der Planung die hohen thermischen Lasten einkalkulieren, die ein zukunftsfähiges Kühlsystem bewältigen muss. Zum anderen sind auch Aspekte wie Ressourcenverbrauch und Versorgungssicherheit zu berücksichtigen.
In Rosbach v. d. Höhe im Großraum Frankfurt entsteht zurzeit das Greenfield-Projekt FRA7 des Betreibers Firstcolo. Jerome Evans, Gründer und Geschäftsführer von Firstcolo, erklärt, wie die Kühlung des neuen Rechenzentrums die gestiegenen Anforderungen adressiert: „Um Ressourcen zu sparen und auch in Hitze- oder Dürreperioden keine Ausfälle zu riskieren oder gar einen Wassermangel zu verschärfen, setzt das Kühlkonzept von FRA7 auf einen geschlossenen Kaltwasserkreislauf. Die Kältemaschinen werden mit Luft gekühlt, und das Wasser zirkuliert innerhalb des geschlossenen Systems. Über eine Heat-Transfer-Station steht die anfallende Abwärme kostenfrei für die Einspeisung in ein kommunales Wärmenetz bereit.“ Ein wesentlicher Vorteil des Konzepts: Es findet keine kontinuierliche Entnahme von Wasser aus natürlichen Gewässern statt.
Kein Fluss-, Bach- oder Grundwasser für die Kühlung
Das Rechenzentrum in Rosbach wird weder mit Fluss- oder Bachwasser noch mit Grundwasser gekühlt. Lediglich für die Erstbefüllung ist Wasser erforderlich, es wird danach jedoch nicht als Kühlmedium verbraucht, denn das Kaltwasser zirkuliert innerhalb eines geschlossenen Systems im Gebäude. Die Wärme aus dem Kaltwasserkreislauf wird im Normalbetrieb über luftgekühlte Kältemaschinen an die Außenluft abgegeben. Ergänzend ist eine Heat-Export- beziehungsweise Heat-Transfer-Station vorgesehen. Über Wärmetauscher kann Niedertemperatur-Abwärme so in ein kommunales Wärmenetz eingespeist werden. „Damit unterscheidet sich das Konzept grundlegend von geschlossenen oder offenen Kühlsystemen, die eine kontinuierliche Wasserentnahme, -aufbereitung und -verdunstung benötigen. Diese Systeme verbrauchen bis zu 25 Prozent des benötigten Wassers noch während der Aufbereitung und werden während immer länger anhaltenden Dürre-Perioden zum Problem,“, erklärt Evans. Eine Verdunstungskühlung mit Cooling Towers oder ein separates Condenser-Water-System ist nicht vorgesehen, sodass der Kühlprozess keine kontinuierliche Frischwasserzufuhr erfordert. Die Erstbefüllung des Kaltwassersystems erfolgt über eine mobile Demineralisierungsanlage.
Geschlossener Kreislauf und „trockene Kühlung“ reduzieren Wasserbedarf
Nachspeisewasser wird lediglich im Ausnahmefall bei Leckagen benötigt: Für dieses Wasser steht eine Aufbereitungsstation zur Verfügung. Davon zu unterscheiden sind dezentrale Verdunstungsbefeuchter für die Luftbefeuchtung. Diese verbrauchen sehr wenig Wasser und erfüllen eine andere Funktion – sie sind nicht Bestandteil des primären Kühlprozesses. Der Wasserverbrauch der eigentlichen Kühlung kann damit auf ein Minimum reduziert werden. „Die exakte Wassermenge lässt sich in der Planungsphase noch nicht beziffern, doch erfahrungsgemäß benötigt ein Rechenzentrum dieser Größenordnung rund 200 m3 Wasser – einmalig, für die Erstbefüllung des geschlossenen Kühlkreislaufs. Danach ist der Bedarf bemerkenswert gering: Da kein Wasser als kontinuierliches Kühlmedium verbraucht wird, erwarten wir einen WUE-Wert von annähernd null zu erreichen. Der tatsächliche jährliche Wasserverbrauch des Standorts entspricht damit im Wesentlichen dem jedes anderen Büro- oder Gewerbegebäudes mit vergleichbarer Belegschaft und beschränkt sich auf die normale gebäudetechnische und sanitäre Versorgung. Die kommunale Wasserinfrastruktur wird nicht stärker als durch ein herkömmliches Gewerbegebäude belastet“, beschreibt Evans.
Unabhängigkeit von alternativen Kühlpfaden
Die technische Ausfallsicherheit wird nicht über einen zusätzlichen Kühlpfad mit Fluss-, Bach- oder Grundwasser hergestellt. Stattdessen basiert sie auf einer redundanten Auslegung des geschlossenen Systems. Vorgesehen sind mehrere luftgekühlte Kältemaschinen mit N+2-Redundanz für die Kälteerzeugung sowie eine N+1-Auslegung der Kühlgeräte in ServerRäumen. Eine resiliente Kaltwasserverteilung und Kälte-Pufferspeicher ergänzen das Konzept. „Dadurch ist die Kühlung nicht von wasserrechtlichen Entnahme- oder Einleitbedingungen eines Oberflächengewässers abhängig. Die thermische Energie wird entweder über die Kältemaschinen an die Außenluft abgegeben oder über einen Wärmetauscher hydraulisch getrennt an ein Wärmenetz übertragen“, so Evans. Die steigende Rechenleistung moderner Server verändert auch die Anforderungen an die Kühlung.
Insbesondere KI-Anwendungen können zu deutlich höheren Leistungsdichten führen als klassische IT-Workloads. Das Kühlkonzept muss deshalb auch Flüssigkühlung und HighDensity-Racks berücksichtigen können.
Flüssigkühlung für hohe Leistungsdichten
Dabei ist eine differenzierte Betrachtung der Energieeffizienz erforderlich. Flüssigkühlung kann sich positiv auf die Power Usage Effectiveness (PUE) eines Rechenzentrums auswirken, dies ist jedoch nicht automatisch der Fall. Der tatsächliche Effekt hängt unter anderem davon ab, wie die unterschiedlichen Kühlprinzipien im Rechenzentrum kombiniert werden und wo die jeweiligen Kühlsysteme angeordnet sind. „Rechenzentren, die von Anfang an auf Flüssigkühlung und hohe Leistungsdichten ausgelegt werden, können bessere PUE-Werte erreichen“, erläutert Evans.
„Die Entwicklung hin zu KI und High-Density-Computing zeigt, dass die Kühlung nicht länger unter rein technischen Aspekten als Nebenanlage betrachtet werden kann. Sie ist ein zentraler Bestandteil der Rechenzentrumsarchitektur und muss gemeinsam mit Energieversorgung, Flächenplanung, Redundanz und Nachhaltigkeit gedacht werden. So lässt sich ein Kühlkonzept erreichen, das Effizienz und Ressourcenschonung verbindet: Der geschlossene Kaltwasserkreislauf und die ,trockene Kühlung‘ ohne Verdunstungswasser machen den Kühlbetrieb unabhängig von natürlichen Wasserressourcen. Die geplante Wärmeauskopplung wiederum verwandelt das, was klassische Rechenzentren als Verlust abschreiben, in eine nutzbare Ressource: Abwärme, die perspektivisch in kommunale Wärmenetze fließen oder alternativ mit der Hilfe von Absorptionskältemaschinen für industrielle Kühlung benutzt werden kann. Beides verdeutlicht, dass Betreiber, die heute ein Rechenzentrum planen, ökologische Anforderungen und die technische Leistungsfähigkeit von Anfang an als ineinandergreifendes Konzept gestalten müssen.“
