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Technische Machbarkeit trifft auf Vorbehalte Kein Mitreißen nur Plätschern: Energie-effiziente Wasserkühlung im Datacenter stockt

Von Technischer Redakteur M.A. Harald Lutz

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Eigentlich, ja eigentlich leuchten die Vorteile einer direkten Wasserkühlung im Vergleich zu Ventilatoren, die zuvor gekühlte Luft mehr oder minder durch das gesamte Rechenzentrum blasen unmittelbar ein. Wird die durch die Server und Speichermedien erzeugte Wärme auch noch zum Heizen genutzt: eigentlich unschlagbar - in der Energie- und Kosteneffizienz. Eigentlich ....

Bis Wasserkühlung, eventuell kombiniert mit Abwärmenutzung, sich durchsetzt dauert es noch. Liegt es an den Rechenzentrumsbetreibern? Die schieben die Verantwortung auf die Kunden, die nicht wollen, auf fehlende Standards und auf fehlende Abnehmer.
Bis Wasserkühlung, eventuell kombiniert mit Abwärmenutzung, sich durchsetzt dauert es noch. Liegt es an den Rechenzentrumsbetreibern? Die schieben die Verantwortung auf die Kunden, die nicht wollen, auf fehlende Standards und auf fehlende Abnehmer.
(Bild: Bertold Werkmann - stock.adobe.com)

Tatsächlich liegen die an sich unschlagbaren Vorteile einer Wasser- beziehungsweise Flüssigkeitskühlung direkt am Server auf der Hand: Bei gleichzeitiger Nutzung der durch die IT-Systeme entstehenden Abwärme können gegenüber klassischer Luftkühlung bis zu 80 Prozent an Energie und damit erhebliche Kosten eingespart werden (siehe: Kasten).

Server-Blade mit Wasserkühlung
Server-Blade mit Wasserkühlung
(Bild: Cloud&Heat Technologies GmbH)

In dem mit am stärksten wachsenden Segment der Rechenzentrumsbranche, dem so genannten Co-Location-Markt mit seinen meist hoch gesicherten Gebäudekomplexen, kommt Flüssigkeitskühlung bislang allerdings nur sporadisch zum Einsatz. Die Co-Location-Branche – mit einem laut aktueller Bitkom-Studie, gemesssen an der IT-Last, Marktanteil in Deutschland von 40 Prozent – setzt aktuell überwiegend noch auf die wenig effiziente Umluftkühlung.

Bernhard Seibold, Prokurist beim Server-Anbieter und Pionier in der Wasserkühlung Thomas-Krenn AG, hält fest: „Neben den klassischen Firmen- und HPC-Forschungsrechenzenten ist aus unserer Sicht die Flüssigkeitskühlung auch im Co-Location-Umfeld heute bereits im großen Stil möglich. Technisch ist das ganz klar umsetzbar.“

Wichtig dabei sei vor allem die Gesamtbetrachtung der Energie-Effizienz. Seibold: „Um möglichst Energie-effizient zu kühlen und idealerweise auch noch Abwärme produktiv zu verwenden, braucht man zwingend ein Trägermedium, das besser geeignet ist als Luft. Ob das nun Wasser oder eine Hightech-Chemikalie ist, lasse ich offen.“

Die Kehrseite der Medaille: Der Einsatz von Wasser- beziehungsweise Flüssigkeitskühlung erweist sich aktuell offenbar nur bei einer hohen Auslastung der Systeme als effizient. Wer auch die Abwärme nutzen möchte, muss bei geringer Systemauslastung – wie bei der Luftkühlung –zusätzliche Energie einsetzen, um die Temperaturen auf ein Niveau von 60 Grad Celsius zu erhöhen, das geeignet ist, in die Fernwärmenetze eingespeist zu werden.

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Techniken der Sektorenkopplung
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    • Seibold: „Es ist daher immer ein Zusammenspiel verschiedener Faktoren, zum Beispiel der Frage nach dem Standort des Rechenzentrums und einer möglichen Anbindung an Wohnsiedlungen etc.“ Erweist sich eine Abwärmenutzung als noch nicht möglich, muss auch bei flüssig gekühlten Systemen die erzeugte Abwärme ungenutzt an die Umgebung abgeben werden.

    Bernhard Seibold: „Technisch ist das ganz klar umsetzbar.“
    Bernhard Seibold: „Technisch ist das ganz klar umsetzbar.“
    (Bild: Thomas-Krenn AG)

    Seibold: „In diesem Fall liegt die Energie-Einsparung des Betreibers nicht bei 80 Prozent, sondern etwas unter 60 Prozent.“ Auch diese Minderung muss mit den Anschaffungskosten der wassergekühlten IT-Systeme und die für ihren Betrieb nötige Infrastruktur gegengerechnet werden.

    Stromkosten versus Anschaffung

    Ins gleiche Horn stoßen auch die befragten Co-Location-Anbieter: „Wir haben keinerlei Zweifel daran, dass Wasserkühlung erheblich effizienter ist als Luftkühlung. Das Problem liegt – wie so oft – hauptsächlich beim Thema Geld“, betont auch Günter Eggers, Leiter öffentliche Auftraggeber bei NTT Global Data Centers und Leiter des Bitkom-Arbeitskreises Rechenzentren.

    Wasserkühlung erweise sich sowohl bei den IT-Systemen, die gekühlt werden müssen, als auch für die Bereitstellung der Infrastruktur an den Racks als erheblich teurer gegenüber der Umluftkühlung. Eggers: „Wir sprechen hier von Mehrkosten zwischen 30 und 50 Prozent.“

    Weitere kritische Punkte sieht der NTT-Experten neben einer fehlenden Standardisierung auf Anbieterseite vor allem darin, dass wassergekühlte Systeme deutlich weniger flexibel bei Um-bauten seien, wenn es darum gehe, temporär Komponenten nachzurüsten. Einige Einheiten ließen sich auch prinzipiell schlecht mit Wasser kühlen. Eggers: „Insbesondere bei großen Storage-Systemen kenne ich keine verlässlichen Konzepte für Wasserkühlung.“

    Flüssig gekühlte Server und Fernwärmenetze der vierten Generation

    „Ich habe für die Branche eine ganz klare Vision: flüssigkeitsgekühlte Server in den meisten Re-chenzentren und Fernwärmenetze der vierten Generation, die im Bereich 60 bis 70 Grad Celsius arbeiten“, betont Dr. Béla Waldhauser, Leiter der Kompetenzgruppe Data Center beim Eco-Ver-band Internetwirtschaft und Geschäftsführer für alle deutschen Aktivitäten bei Telehouse / KDDI.

    Die Realität sieht heute aber noch ganz anders aus: Im Frankfurter Rechenzentrumspark an der Kleyerstraße steht derzeit kein einziger flüssigkeitsgekühlter Server. Warum tun sich also die Co-Location-Betreiber so schwer mit dieser Energie-effizienten Zukunftstechnologie?

    Der KDDI/Telehouse-Geschäftsführer Deutschland dazu: „Wir können und wollen unseren Kunden nicht vorschreiben, welche Technologie sie nutzen möchten: Das entscheiden sie selbst. Der Markt verlangt heute eben noch Luftkühlung.“

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    Als Zwischenfazit liegt nahe, dass die Vorstände der meist internationalen Co-Location-Konzerne mit Firmensitz in Japan und anderswo auf Druck der Shareholder und mangels Nachfrage nicht die Mittel bereitstellen, im großen Stil Vorbereitungen für eine wassergekühlte Infrastruktur in Bestandsrechenzenten oder zum Bau neuer, für die Einstellung flüssigkeitsgekühlter Server geeigneter Rechenzentren zu treffen.

    Durchbruch in den kommenden drei bis fünf Jahren erwartet

    Trotz der eher ernüchternden Realität gehen alle im Rahmen dieser Recherche befragten Experten unisono davon aus, dass mittelfristig, das heißt in den in den kommenden drei bis fünf Jahren, die Flüssigkeitskühlung auch in den Co-Location-Rechenzentren im großen Stil ihren Einzug halten wird. Die Thomas-Krenn AG setzt dabei ihre Hoffnungen neben einer Standardisierung der Schnittstellen durch die Normungsgremien vor allem auch auf die Rechenzentrumsplaner, die alle am Bau und an der Ausstattung der „großen grauen Kästen“ beteiligten Gewerke, angefangen bei der Messtechnik über die IT bis hin zur Schranktechnik, an einen Tisch bringen und fest in ihre Planungen einbeziehen müssten.

    Für einen Anschub der Technologie würden auch zu erwartende neue Messpunkte hinsichtlich Energieeffizienz und Nachhaltigkeit sorgen, die für die Rechenzentren staatlicherseits eingeführt werden sollen. Seibold: „Mit dem dadurch möglichen zusätzlichen Genuss von Fördermitteln, niedrigen Darlehnszinsen etc. wird sich die Flüssigkeitskühlung auch für Co-Location-Betreiber schon sehr bald wirtschaftlich voll bezahlt machen.“

    Dr. Béla Waldhauser ist unter anderem Mitglied im Vorstand des Climate Neutral Data Centre Pact.
    Dr. Béla Waldhauser ist unter anderem Mitglied im Vorstand des Climate Neutral Data Centre Pact.
    (Bild: Eco verband der Internetwirtschaft e.V.)

    Telehouse Deutschland / KDDI wiederum erwartet den großen Durchbruch aus dem Umfeld der so genannten Hyperscaler. Waldhauser ist fest davon überzeugt, dass einer dieser Großen aus dem Umfeld von Amazon, Google & Co. früher oder später wassergekühlte Server für ein komplettes Rechenzentrum aufstellen möchte. Dr. Waldhauser: „Spätestens dann wird die Wasser- und Flüssigkeitskühlung – mit den entsprechenden Mengen und niedrigen Preisen – auch im Co-Location-Umfeld vollumfänglich marktfähig.“

    Ergänzendes zum Thema
    Welche Vorteile hat Wasserkühlung?

    Energie-Einsparungen über Luftkühlung im Rechenzentrumsumfeld sind technisch an ihren Grenzen angekommen. Ein aktuelles Forschungsprojekt an der TU Berlin zeigt auf, dass durch modulare Ansätze der Serverhersteller Thomas-Krenn AG und Cloud&Heat Technologies GmbH als Entwicklungspartner über die Kühlung heute rund 60 Prozent des Energieverbrauchs in den Rechenzentren eingespart werden können – allein dadurch, dass Luft- durch Wasser- beziehungsweise Flüssigkühlung ersetzt wird.

    Wenn dann zusätzlich noch die Abwärme über Wärmerückgewinnung genutzt wird, ergibt sich eine Energiebilanz von minus 80 Prozent gegenüber einem herkömmlich luftgekühlten System. Der entscheidende Sprung in der Energiebilanz ergibt sich durch die Gesamtleistungsaufnahme: Die komplette Luftkühlung entfällt, es wird nur noch eine kleine Wasserpumpe benötigt.

    Für die Wärmerückgewinnung durch kombinierte Kühl- und Heizkreisläufe wird es bei der Wasser- und Flüssigkühlung möglich, ein Temperaturniveau von bis zu 60 Grad Celsius auszukoppeln, das im Unterschied zu den wesentlich niedrigen Werten um die 30 Grad Celsius bei Luftkühlung direkt thermisch verwertbar ist und nicht mehr oder nur noch wenig durch Aufheizen erhöht werden muss. Je wärmer das Wasser, desto besser lässt es sich nutzen und in die Pufferspeicherung der Heizungsanlage oder in das Fernwärmenetz einspeisen.

    Eine so signifikante Verbesserung der Energie-Effizienz in den Rechenzentren bis zu einem partiellen ERE-Wert von 0,49 ist technologisch heute nur mit Wasserkühlung zu erreichen. Dieser „Energy Reuse Effectiveness“-Koeffizient berücksichtigt im Gegensatz zur weit verbreiteten Einheit PUE auch die Energierückgewinnung.

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