Eine Einführung in dielektrische Flüssigkeiten Fluide zur Immersionskühlung von Servern in Rechenzentren

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Die Flüssigkeiten für Immersionskühlsysteme müssen leicht zu handhaben, toxikologisch unbedenklich und umweltfreundlich sein. Darüber hinaus müssen sie chemisch stabil sein, damit ihre Leistung über Jahre hinweg ohne Austausch sichergestellt ist. Als Chemie-Unternehmen legen legt Evonik* nach Angaben der Autoren großen Wert auf das Umwelt-, Gesundheits- und Sicherheitsprofil (EHS) von Substanzen.

Tauchkühlung, auch als Immersionskühlung bezeichnet, ist eine Methode zur Kühlung elektronischer Komponenten, bei der diese vollständig in eine elektrisch nichtleitende Flüssigkeit eingetaucht werden. Die Flüssigkeit absorbiert die von den Komponenten abgegebene Wärme unmittelbar und leitet sie vom Entstehungsort ab.

Traditionell sind die bevorzugten Kühlmittel in den Kühleinheiten von Rechenzentren Luft und Wasser, obwohl diese wesentlich ineffizienter sind als die Kühlflüssigkeiten der neuen Immersionskühlsysteme. Dabei wird Effizienz eines der zentralen Themen der Kühlsysteme der Zukunft sein. Denn verglichen mit indirekter Kühlung oder Luftkühlung erlaubt die Immersionskühlung durch Konvektionswärmeübertragung einen viel effizienteren Wärmeaustausch zwischen Hardware und Kühlmittel, da die Komponenten in direktem Kontakt mit dem Kühlmittel stehen.

Dies übersetzt sich in erhebliche Energie-Einsparungen und Reduktionen der CO₂-Emissionen. Da die Flüssigkeit (pro Volumeneinheit und Zeit) mehr Wärme aufnehmen kann als Luft, ermöglicht die Immersionskühlung den Rechenzentren, in ihren Standard-Racks leistungsstärkere Server unterzubringen, ohne zu überhitzen. Die effiziente Wärme-Ableitung durch Immersionskühlung ermöglicht die Etablierung von Hochleistungsrechnern, welche benötigt werden, um dem wachsenden Datenbedarf (KI-Anwendungen, 6G, …) in Zukunft gerecht zu werden.

Die Bedingungen für den Einsatz

Natürlich gibt es auch Herausforderungen bei Immersionskühlsystemen für Rechenzentren. So muss die Gebäude-Infrastruktur die Installation von Immersionstanks grundsätzlich ermöglichen. In Neubauten ist dies einfacher zu realisieren als in Bestandsgebäuden; denn die benötigte Infrastruktur kann hier von Anfang an in die Planung miteinbezogen werden. Da in diesen Systemen die Komponenten vollständig in die Flüssigkeit eintauchen, werden Leckage-geschützte Tanks benötigt, denn auslaufende Flüssigkeit könnte zur Schädigung der Hardware bzw. Umgebung führen oder sogar ein Sicherheitsrisiko darstellen.

Um dieses Risiko zu mindern, müssen Immersionstanks nicht nur sorgfältig geplant und konstruiert sein, sondern auch überwacht und regelmäßig gewartet werden. Darüber hinaus muss die dielektrische Kühlflüssigkeit mit vorhandener oder künftiger Hardware sowie praktisch allen Komponenten in elektronischen Systemen kompatibel beziehungsweise auf diese Komponenten abgestimmt sein, seien es Metalle, Kunststoffe, Dichtstoffe oder Klebstoffe. Dies kann die Flexibilität und Auswahl von Fluiden für Immersionskühlsysteme mitunter einschränken.

2-PIC hat viele Vorteile

Die EU-Big-Data-Energie- und Wasser­krise könnte der Vergangenheit angehören

Da es sich um chemische Substanzen handelt, müssen die dielektrischen Flüssigkeiten in den Ländern, in denen sie hergestellt, vertrieben und verwendet werden, registriert und gelistet sein und den gesetzlichen Anforderungen entsprechen. So finden in Europa beispielsweise die REACH-Vorschriften Anwendung. Wenn für eine Substanz noch keine Registrierung besteht, muss diese in einem kostspieligen und zeitaufwendigen Prozess erworben werden.

Das Design der Flüssigkeiten sollte einem Cradle-to-Cradle-Ansatz folgen, der sicherstellt, dass sie am Ende ihrer Lebensdauer wiederverwendbar oder recycelbar sind, und keinen vermeidbaren Abfall erzeugen. Trotz ihres überaus vorteilhaften EHS-Profils können wässrige Systeme aufgrund ihrer elektrischen Leitfähigkeit nicht für Immersionskühlung eingesetzt werden.

Umwelt-, Gesundheits- und Sicherheitsprofile

Die EHS-Anforderungen stellen essenzielle Rahmenbedingungen für Kühlflüssigkeiten dar, weswegen das Nichterfüllen einer dieser Anforderungen eine Unvereinbarkeit der Substanz mit der geplanten Anwendung bedeuten könnte. Es ist jedoch ebenso wichtig, die technischen Anforderungen zu berücksichtigen, die im Bereich der Immersionskühlung gefordert werden.

Neue Substanzen müssen darauf abgestimmte chemischen und physikalischen Eigenschaften aufweisen, um als leistungsstarke Immersionskühlflüssigkeit dienen zu können. Unter anderem sind eine hohe Durchschlagsfestigkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität wichtig, um einen sicheren Betrieb und eine effektive Wärme-Ableitung zu gewährleisten.

Sicherheitstechnisch ist ein hoher Flammpunkt wünschenswert, während eine niedrige Viskosität der Flüssigkeit gleichzeitig sicherstellt, dass das Kühlmittel während der Wartung leicht zirkulieren und zum Beispiel bei Wartungsarbeiten schnell von Hardwareteilen abtropfen kann. Als besonders wichtig muss die Materialverträglichkeit des Fluids angesehen werden, da Dichtungen, Verklebungen, die Hardware und der Tank nicht beschädigt werden dürfen.

Für manche die Quadratur des Kreises

Viele Flüssigkeiten, die die EHS-Kriterien erfüllen würden, wie Wasser, entsprechen nicht gleichzeitig auch den technischen Anforderungen für ein Immersionskühlmittel - oder umgekehrt. Nicht zu vernachlässigen sind auch Kostenfaktoren durch Produktion und Einkauf dieser Flüssigkeiten, welche mit den zu erwartenden Kosteneinsparungen aufgrund des geringeren Energieverbrauchs durch Immersionskühlung gegenzurechnen sind.

Unter Berücksichtigung all dieser Faktoren zeichnet sich schon jetzt ab, dass künftig verschiedene Fluide und Formulierungen am Markt koexistieren könnten. Aktuell werden als dielektrische Immersionskühlmittel insbesondere Mineralöle und Kohlenwasserstoffe, Silikonöle, organische Ester, Hydrofluorether oder halogenierte Kohlenwasserstoffe angeboten.

Bei all diesen Flüssigkeiten sind ihre jeweiligen spezifischen Vorteile, wie Materialverträglichkeit oder Preis, gegen ihre spezifischen Nachteile abzuwägen, wie beispielsweise eine ungünstigere Umweltbilanz oder eine aufwändigere Handhabung. Die Suche nach der idealen Flüssigkeit dauert also weiter an.

Bei Evonik

Bei Evonik (siehe: Kasten) verfügen wir über jahrzehntelange Erfahrung in den Bereichen technischer Flüssigkeiten und Formulierungen für ganz unterschiedliche Anwendungen, sei es in der Körperpflege oder im Bereich von Schmierstoffen. Neben unserem Interesse an Spezialfluiden fokussieren wir uns insbesondere auf Spezialadditive, die – in kleinen Mengen beigefügt - die Leistung eines Materials oder einer Flüssigkeit verbessern oder mit denen sich spezifische Leistungsparameter für ein System einstellen lassen.

Gleichzeitig steht Nachhaltigkeit im Mittelpunkt der Innovationskultur unseres Unternehmens, entsprechend ist unser Engagement für Nachhaltigkeit ein integraler Bestandteil unseres strategischen Managements und unserer täglichen Arbeit. Mit dem Ziel, über die Chemie hinauszugehen, um das Leben heute und morgen zu verbessern, haben wir unsere „grüne“ Transformation begonnen und bündeln einen großen Teil unserer Forschungs- und Entwicklungs-Aktivitäten in den drei Innovationswachstumskernen Energiewende, Kreislaufwirtschaft und biobasierte Lösungen. Die Entwicklung von Immersionskühlflüssigkeiten, die nachhaltig sind, zu einem geringeren Energieverbrauch beitragen und am Ende ihrer Lebensdauer recycelt werden können, tragen dem Anspruch von Evonik, die grüne Transformation der Industrie voranzutreiben, Rechnung.

Über Evonik

„Wir bei Evonik produzieren weder Autoreifen noch Matratzen, keine Tabletten und keine Tiernahrung. Und doch steckt in diesen Endprodukten Evonik – so wie in vielen weiteren auch. Oft sind es kleine Mengen, die wir beisteuern, aber genau die machen den Unterschied. Denn mit Evonik werden Reifen zu Spritsparern, Matratzen elastischer, Tabletten wirksamer und Tierernährung gesünder. Das ist Spezialchemie. Und da gehören wir weltweit zu den Besten. “

Der Konzern ist in über 100 Ländern aktiv und erwirtschaftete 2023 einen Umsatz von 15,3 Milliarden Euro und ein Ergebnis (bereinigtes EBITDA) von 1,66 Milliarden Euro mit rund 32.000 Mitarbeitern

Neben unserem aktuellen Portfolio an dielektrischen Flüssigkeiten, das Kohlenwasserstoff- und Ester-basierte Flüssigkeiten sowie bestimmte Additive umfasst, streben wir an, neue Materialien zu entwickeln, in denen wir Kohlendioxid als chemischen Grundbaustein nutzen. So können wir mittels unserer innovativen Technologie mit CO₂ als Ausgangsstoff in einer Art künstlichen Photosynthese wertvolle Spezialchemikalien herstellen. Damit formulierte Produkte können sogar einen negativen CO₂-Fußabdruck aufweisen. Diese Materialien in neuen transformativen Prozessen einzusetzen, deren Fokus auf Energie-Effizienz liegt, wie dies bei der Immersionskühlung von Rechenzentren der Fall ist, entspricht dabei dem Nachhaltigkeitsanspruch von Evonik.