Effizienz im Rechenzentrum 'Rauf oder 'runter? Was passiert dem PUE bei Flüssigkühlung?

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Wie wirkt sich die Flüssigkühlung im Rechenzentrum auf die PUE aus? Grundsätzlich positiv, doch es gibt einige Differenzierungen zu beachten.

PUE (Power Usage Effectiveness) und Flüssigkühlung – zu diesem Thema herrscht noch einige Unklarheit im Markt. Und auch die Begrifflichkeiten rund um diesen Parameter führen öfter zur Verwirrung.

Zu den Grundlagen: PUE ist das Verhältnis der insgesamt vom Rechenzentrum verbrauchten Energie zur zum Rechnen verbrauchten Energie. Oben im Bruch steht also die Gesamtenergie, unten die Rechenenergie. Zu ihr gehören auch die Ventilatoren direkt am Rechner, nicht jedoch die im Raum oder an den Kühlgeräten im Rack.

Am besten ist es, wenn zum Kühlen gar keine zusätzliche Energie benötigt wird. Ideal wäre also eine PUE von 1. Die wird in der Regel nicht erreicht. Gute Werte liegen heute von 1,5 abwärts.

PUE: Alles ist relativ

Was gut ist, bemisst sich allerdings auch nach der vorhandenen Substanz: Wer die PUE seines Bestandsrechenzentrums von 2,0 auf 1,6 verbessert, nutzt der Umwelt möglicherweise mehr als der Datacenter-Neubau mit einer PUE von 1,4 anstelle eines alten, das abgerissen wurde – die Bausubstanz muss schließlich eigentlich auch in die Gesamtbilanz einfließen.

Weitere Herausforderungen bei der PUE-Berechnung sind neue Kühltechnologien. So gibt es Immersionskühlung, die dank Konvektion der erwärmten Flüssigkeit ganz ohne Pumpen und Lüfter zurechtkommen.Der genaue rechnerische Umgang mit damit scheint in der Norm EN 50600 und anderen Regelwerken noch nicht eindeutig festgelegt, dazu ist diese Kühltechnik zu neu und zu wenig verbreitet.

Verwirrender Sprachgebrauch um die PUE

Verwirrung schafft auch der Sprachgebrauch: Wenn jemand sagt, dass Wasserkühlung die PUE steigert, meint die betreffende Person oft genug nicht etwa, dass statt einer PUE von 1,3 nun eine von 1,5 zu verzeichnen wäre (ein schlechterer Wert). Sondern gerade umgekehrt, dass die PUE von beispielsweise 2,0 auf 1,6 gesenkt wurde. Man sollte hier also lieber über Verbesserung als über Steigerung reden, um Missverständnisse zu vermeiden.

Wie sieht es nun mit Wasser als Kühltechnik und dem PUE aus? „Grundsätzlich verbessert Wasserkühlung die PUE“, ist sich Peter Radgen, Universität Stuttgart, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieverwendung, sicher. Die Details hängen aber davon ab, wo genau in der Kühlkette Wasser respektive Kühlflüssigkeit für was eingesetzt wird.

Je mehr Kühlkomponenten, desto schlechter die PUE

Grundsätzlich verschlechtert sich der PUE-Wert, je mehr Kühlstufen, Kühlkomponenten etc. zum 'Wegkühlen' der Wärme im Rechenzentrum benötigt werden. Denn jede aktive Komponente hat einen Energieverbrauch und jede passive Komponente einen Energieverlust, der irgendwie in die Berechnung einfließt.

Das gilt somit auch für Wärme-Übertrager, die keine aktive Komponente sind. Allerdings verringert sich durch den Druckverlust bei seinem Durchströmen der Druck im System. Das macht wiederum Pumpen notwendig, die als aktive Komponenten Energie verschlingen und so den Zahlenwert der PUE nach oben treiben und die PUE damit verschlechtern. Das gilt auch für wasserdurchströmte Kühltüren und andere Innovationen.

Luftgekühlte Systeme

Grundsätzlich ist ein Kühlsystem also um so effizienter, je weniger Kühlkreise es braucht. Normale luftgekühlte Systeme verwenden direkt am Chip Luft und übertragen deren Wärme auf Wasser in einem weiteren Kühlkreis, das die Wärme wiederum an Tischkühler nach draußen abführt. Dort ist die Luft günstigenfalls so kühl, dass die Abwärme schlicht verfliegt.

Dafür braucht man aber mindestens einen Temperaturunterschied zwischen Außenluft und warmem Wasser zwischen 5 und 15 Grad, besser noch mehr. Darunter funktioniert die Kühlung nicht. Dann muss adiabatisch 'nachgekühlt' werden oder aber eine Kältemaschine als dritter Kühlkreis eingesetzt werden. Die treibt den Energieeinsatz und damit den PUE-Wert auf jeden Fall nach oben (und verschlechtert ihn also).

Kältemaschinen und Wärmepumpen brauchen hohe Jahresarbeitszahl

Wird per Kältemaschine gekühlt oder die Temperatur der Abwärme per Wärmepumpe angehoben, weil sie für Wärmenetze der ersten oder zweiten Generation gebraucht wird, braucht diese eine hohe Jahresarbeitszahl. Der Parameter beschreibt das Verhältnis zwischen Energie-Einsatz und Kälte/Wärmegewinn. Hoch ist die Arbeitszahl, wenn sie 7 oder 8 beträgt, gut bis mittel sind Werte zwischen 4 und 7, darunter ist ein solches Gerät ineffizient.

Das Gerät verschlechtert die PUE-Werte um so mehr, je größer die Temperaturdifferenz ist, die es zu überwinden gilt. Allerdings machen die Regeln des geplanten EnergieEffizienzgesetzes hier eine rechnerische Ausnahme: Der Zusatzstrombedarf einer Wärmepumpe für die zusätzliche Temperaturerhöhung für Wärmenetze bleibt für die Berechnung des PUE außen vor.

Effizienzgewinne durch Abwärmenutzung: Es kommt aufs Detail an

Doch erreichen die Abwärmenutzung meist nur einstellige Prozentwerte der verfügbaren Abwärme. Zudem muss auch noch die Hebelwirkung der Wärmepumpe herausgerechnet werden.

Das macht deutlich, dass hier keine großen Einflusspotentiale fürs PUE winken. Um Datacenter-Abwärmenutzung zu verbreiten, bedarf es anderer Hebel als nur der Wärmepumpe.

Direkte Flüssigkühlung: Heißere Abwärme taugt besser für Nachnutzung

Ganz anders bei Wasserkühlung direkt auf dem Chip, heute auf dem Vormarsch vor allem bei der Kühlung von Servern, GPUs und Flash-Speichern: Hier muss keine Wärme von Luft auf Wasser übergeben werden. Es entfällt also eine Kühlstufe.

Zudem liegt die Temperatur des Wassers, nachdem es die Wärme der Chips aufgenommen hat, eher bei 50 bis 60 Grad Celsius denn bei lapprigen 30 bis 35 Grad. Das taugt temperaturmäßig vielfach zur Direkteinspeisung in Heizkreisläufe.

Muss zusätzlich Wärme 'weggekühlt' werden, reicht die Temperaturdifferenz zur Außenluft im Regelfall auch an heißen Sommertagen aus, um einen Kühleffekt zu erzielen. Denn meist besteht auch im Sommer ein Temperaturabstand von 15 bis 20 Grad oder mehr - wohl auch dann noch, wenn der Klimawandel sich stärker bemerkbar macht.

Flüssigkühlung funktioniert noch nicht für alles

Ein Nachteil ist allerdings, dass die Direktkühlung mit Wasser bei einer ganzen Reihe von Komponenten derzeit noch nicht so recht funktioniert. Beispiele sind Festplatten, Speicherbänder, USVs oder Netzwerkkomponenten.

Für diese Systeme braucht es ein separates, traditionelles Kühlsystem, häufig in anderen Schränken untergebracht. Das Ganze wird wieder komplex und umständlich, was bestimmt nicht PUE-senkend wirkt. Allerdings müssen nun weniger Komponenten mit der Kombi Luft/Wasser gekühlt werden als zuvor, deshalb sollte am Ende doch eine positive Auswirkung auf die PUE stehen.

Immersionskühlung: Es fehlen Standards

Dasselbe gilt für Immersionskühlsysteme, die noch höhere Abwärmetemperaturen erzeugen können. Sie haben aber etwa wegen fehlender Standardisierung, hoher Preise, abweichender Handhabung bislang ihre eigenen Tücken. Deshalb ist damit zu rechnen, dass ihre Verbreitung noch eine Weile in Anspruch nehmen wird.

Doch Immersion wird die Datacenter-Effizienz verbessern – hier auch dadurch, dass viele Komponenten wie Lüfter im Raum oder am Gerät komplett entfallen und damit Material- und Energieverbrauch.

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