Datacenter – Cool & Heat – Use the Heat!

Datacenter Cool & Heat – Direct-to-Chip-Kühlung als Zukunft der nachhaltigen IT

Die steigende Nachfrage nach Rechenleistung, höhere Energiekosten und die politischen Zielsetzungen zur Klimaneutralität stellen Betreiber von Rechenzentren vor neue Herausforderungen. Gleichzeitig eröffnet sich dadurch ein enormes Potenzial: Die bei der Datenverarbeitung entstehende Wärme kann nicht nur effizient abgeführt, sondern auch als wertvolle Energiequelle genutzt werden. Moderne Kühltechnologien wie Direct-to-Chip-Kühlung ermöglichen es erstmals, die Abwärme von Rechenzentren auf einem Temperaturniveau bereitzustellen, das für Gebäudeheizung, Fernwärmenetze und weitere Anwendungen wirtschaftlich nutzbar ist.

Rechenzentren als Energieverbraucher und Wärmequelle

Jedes Rechenzentrum wandelt nahezu die gesamte aufgenommene elektrische Energie in Wärme um. Während diese Wärme bislang überwiegend ungenutzt an die Umgebung abgegeben wurde, rückt ihre energetische Nutzung zunehmend in den Fokus.

Es wird deutlich, dass die Debatte um nachhaltige Rechenzentren nicht nur durch steigende Energiepreise ausgelöst wurde, sondern auch durch politische Vorgaben. Bereits im Koalitionsvertrag der Bundesregierung wurde das Ziel formuliert, Rechenzentren künftig energieeffizient und klimaneutral zu betreiben. Gleichzeitig wächst der Druck auf die Branche, vorhandene Energiequellen möglichst vollständig zu nutzen.

Besonders kritisch ist dabei die Situation in Deutschland, wo Rechenzentren aus Gründen der Netzanbindung häufig in Ballungsräumen wie Frankfurt entstehen. Länder wie Dänemark verfolgen dagegen seit Jahren einen ganzheitlicheren Ansatz und integrieren Rechenzentren gezielt in bestehende Fernwärmestrukturen. Die dort erzeugte Abwärme wird direkt für die Wärmeversorgung von Städten genutzt.

dierck Datacenter

dierck Datacenter realisiert schlüsselfertige Rechenzentrumsprojekte und deckt dabei sämtliche Bereiche moderner Datacenter-Infrastrukturen ab, darunter:

• Planung und Bau von Rechenzentren
• Container-Rechenzentren
• Beton- und Metallhüllen
• Physikalische Sicherheitskonzepte
• Brandfrüherkennung und Löschsysteme
• Serverschrank-Infrastrukturen
• USV-Systeme
• Kühlkonzepte für Rechenzentren
• Komplettlösungen inklusive Baukonstruktion

Durch verschiedene Projekte im Bereich der Abwärmenutzung konnte das Unternehmen bereits praktische Erfahrungen bei der Konzeption nachhaltiger Rechenzentren sammeln.

Cloud&Heat Technologies

Der zweite Schwerpunkt stammt von Cloud&Heat Technologies, einem auf wassergekühlte Rechenzentren spezialisierten Unternehmen.

Cloud&Heat betreibt eigene Rechenzentren und bietet zusätzlich Beratungs- und Consultingleistungen rund um:

• Optimierung von Rechenzentren
• Cloud-Infrastrukturen
• Digitale Infrastrukturkonzepte
• Direct-to-Chip-Kühlung
• Abwärmenutzung
• Energieeffizienz von Rechenzentren

Das Unternehmen verfügt bereits über Praxisstandorte in Frankfurt und Dresden, an denen die Abwärme der Server aktiv zur Gebäudeversorgung genutzt wird.

Warum klassische Luftkühlung an ihre Grenzen stößt

Die heute noch dominierende Kühlmethode basiert auf Luftkühlung. Dabei wird kalte Luft erzeugt und über Lüfter durch die Server geleitet.

Der Kühlprozess erfolgt über mehrere Schritte:

1. Außengeräte oder Kältemaschinen erzeugen Kälte.
2. Wasser transportiert diese Kälte in das Rechenzentrum.
3. Klimageräte wandeln die Kälte in kalte Luft um.
4. Die Luft wird durch die Server gesaugt.
5. Erst am Prozessor entsteht die eigentliche Kühlwirkung.

Dieser Prozess verursacht erhebliche Verluste, da die Kühlung über mehrere Medien transportiert werden muss.

Früher wurden Rechenzentren häufig mit 15 bis 18 Grad Celsius betrieben. Moderne Server können inzwischen auch bei deutlich höheren Temperaturen von bis zu 27 Grad Celsius zuverlässig arbeiten. Dies verbessert zwar die Energieeffizienz der Anlagen erheblich, löst aber nicht das grundlegende Problem der indirekten Kühlung.

Energieeffizienz und PUE-Wert

Ein zentrales Maß für die Effizienz eines Rechenzentrums ist der sogenannte PUE-Wert (Power Usage Effectiveness).

Er beschreibt das Verhältnis zwischen:

• tatsächlich genutzter IT-Energie und
• Energie für Infrastrukturkomponenten wie Kühlung, USV-Anlagen und Gebäudetechnik.

Bei älteren Rechenzentren liegt der PUE-Wert häufig bei etwa 1,8. Das bedeutet, dass für 100 kW IT-Leistung zusätzliche 80 kW für Infrastruktur benötigt werden.

Ein erheblicher Teil davon entfällt auf die Kühlung. Typischerweise werden zwischen 35 und 50 Prozent der Gesamtenergie allein zur Temperierung der Server eingesetzt.

Direct-to-Chip-Kühlung: Die nächste Generation der Rechenzentrumskühlung

Als Zukunftstechnologie wird die sogenannte Direct-to-Chip-Kühlung vorgestellt.

Dabei wird die Wärme direkt am Prozessor über Wasser abgeführt. Der Umweg über Luft entfällt nahezu vollständig.

Der entscheidende Vorteil liegt in den physikalischen Eigenschaften von Wasser:

• deutlich höhere Dichte
• wesentlich höhere Wärmekapazität
• bis zu 3.500-mal höhere Wärmetransportleistung gegenüber Luft

Dadurch können sehr hohe Leistungsdichten erreicht werden.

Während klassische Rechenzentren heute typischerweise:

• 3 bis 7 kW pro Rack

betreiben, sind mit Direct-to-Chip-Kühlung Leistungen von:

• über 200 kW pro Rack

realisierbar.

Zudem lassen sich Prozessortemperaturen von etwa 50 bis 60 Grad Celsius direkt in nutzbare Wärme umwandeln. Genau dieses Temperaturniveau eignet sich für moderne Heizsysteme.

Praxisbeispiele für die Nutzung der Abwärme

Wohngebäude in Dresden

Ein besonders innovatives Projekt befindet sich in Dresden.

Dort versorgen 20 Server-Racks ein Mehrfamilienhaus mit insgesamt 56 Wohneinheiten mit Wärmeenergie. Die IT-Abwärme übernimmt die Grundlast der Wärmeversorgung. Zusätzliche Energie wird nur bei Spitzenlast durch den lokalen Energieversorger bereitgestellt.

Windcloud-Projekt mit Algenzucht

Gemeinsam mit Windcloud wurde ein Rechenzentrum realisiert, dessen warme Abluft direkt in ein Gewächshaus geleitet wird.

Die dort herrschenden Temperaturen von rund 31 bis 34 Grad Celsius eignen sich ideal für die Zucht spezieller Algenarten. Somit wird die Abwärme unmittelbar wirtschaftlich genutzt.

Fernwärmeprojekte in Skandinavien

Cloud&Heat betreibt darüber hinaus Container-Rechenzentren in Schweden und Norwegen, die direkt an Fernwärmesysteme gekoppelt sind.

Die Serverwärme erhöht die Rücklauftemperatur des Fernwärmenetzes und reduziert dadurch den Energiebedarf der eigentlichen Wärmeerzeugung.

Weitere Nutzungsmöglichkeiten für Rechenzentrumswärme

Die Referenten zeigen zahlreiche Szenarien auf, in denen die erzeugte Wärme wirtschaftlich verwendet werden kann:

• Insektenfarmen
• Schwimmbäder
• industrielle Prozesse
• Meerwasserentsalzungsanlagen