Der Branchenverband Bitkom sieht den deutschen Standort für Rechenzentren unter anderem durch steigende Stromkosten gefährdet. Ein Ausweg aus dem Dilemma könnten hocheffiziente Luft-Wasser-Wärmetauscher sein, weil die Kühlung die meiste Energie in den Rechenzentren verbraucht.
Norwegen fördert laut Heise die Ansiedlung von Rechenzentren und wirbt mit günstigem Ökostrom sowie optimalen klimatischen Bedingungen. Ähnlich argumentiert auch Finnland und lockt mit 50 Prozent geringeren Stromkosten gegenüber denen auf dem europäischen Kontinent. Von der Kälte, die anziehend wirkt, hat sich 2011 schon Google überzeugen lassen und in der südfinnischen Hafenstadt Hamina ein Rechenzentrum eingerichtet. Denn je kühler die Außenluft, desto weniger muss im RZ gekühlt werden.
Gegen die Verlagerung in den hohen Norden spricht aber, dass deutsche Unternehmen ihre Data Center lieber im Heimatland sehen. Der Branchenverband Bitkom weist aber darauf hin, dass der Standort Deutschland trotz vermehrter Investitionen durch hohe Stromkosten und langwierige Genehmigungsverfahren an Attraktivität verliere – und damit auch an Marktanteilen im internationalen Vergleich. Um die Energiekosten zu senken, müssen daher neue Kühlsysteme her.
Bisher waren hohe Leistungsdichten von über zehn Kilowatt (kW) pro Server-Rack laut LANline überwiegend Rechenzentren von Forschungs- und Entwicklungszentren vorbehalten, für die Auswertung sehr hoher Datenmengen wie bei Simulationen oder Teilchenbeschleunigern etwa. Aber mittelweile rüsten auch viele Cloud-Anbieter ihre Rechenzentren mit Hochleistungsservern auf. Als Gründe dafür nennt das Fachmagazin Trends wie Hyperconverged IT, Cloud-Computing, Big Data Analytics und Künstliche Intelligenz sowie die wachsenden Datenmengen, die durch M2M (Machine-to-Machine), das Internet der Dinge (IoT) und mobile Geräte anfallen.
In kommerziell betriebenen Rechenzentren mit maximal zehn oder zwölf kW pro Rack waren konventionelle Kühlsysteme ausreichend, aber die neuen High-Performance-Computing-RZs erfordern neue Kühlkonzepte, die sich besser für höhere Leistungsdichten eignen und effizienter sind. Denn die Kühlung verbrauche je nach Art der IT-Ausrüstung in der Regel die meiste Energie in den Rechenzentren, heißt es in dem LANline-Beitrag.
Die RZ-Energieeffizienz wird in Power Usage Effectiveness (PUE) gemessen. Je näher der Wert an 1,0 rückt, desto energieeffizienter ist das Data Center. Als effektivste und wirtschaftlichste Kühltechnik im Leistungsbereich ab zehn bis zwölf kW pro Rack sollen rückseitig angebrachte Kühltüren mit integriertem Luft-/Wasser-Wärmetauscher sein. Die warme Abluft mit Temperaturen von bis zu 35 oder 38 Grad Celsius wird dabei über die Rücktür des Racks und über Kühlwasserleitungen aus dem Rechenzentrum geführt und im Idealfall für die Wärmerückgewinnung genutzt. Eine Möglichkeit der Wiedernutzbarmachung der thermischen Energie ist die der indirekten Verdunstungskühlung (adiabate Kühlung) für den Serverraum. Die zugeführte Frischluft sollte nämlich optimalerweise eine Temperatur von 18 bis 20 Grad haben. Bei herkömmlicher Klimatisierung schlägt das kräftig ins Konto der Gesamtenergiekosten.
Was ist adiabate Kühlung?
Christian Richter, Segmentmanager beim Kühlungsspezialisten Hoval ServeLine aus Aschheim bei München, erklärt in einem Youtube-Video sehr anschaulich, wie in der RZ-Hochburg Frankfurt bei einer Außentemperatur von 15 Grad und einer Kühlleistung von 120 kW über zwei Plattenwärmetauscher 9,7 kW elektrische Leistung nötig ist und wie bei höheren Temperaturen ab 20 Grad Celsius die adiabate Kühlung einsetzt. Das heißt, es wird Wasser auf die Außenluft gesprüht und auf nahe der Feuchtkugel- oder Feuchttemperatur heruntergekühlt. Die Kälte, die durch diese Verdunstungskühlung entsteht, wird der RZ-Kühlluft beigemischt. Bei noch höheren Außentemperaturen von 25 Grad und mehr setzt eine Wasserkühlung mit 6 kW Kühlleistung ein. Mit ausschließlich elektrisch betriebenen Klimaanlagen müsste allein für die Kühlung wesentlich mehr Energie aufgewendet werden.
Das Rechenzentrum wird durch die Wärmetauscher in den Rücktüren der Racks ausreichend gekühlt. Zusätzliche Lüfter, eine Kaltgangeinhausung (strikte Trennung der Warm- und Kaltluftbereiche) oder weitere energiehungrige aktive Komponenten erübrigen sich somit. Für die Luftumwälzung sorgen allein die Server-Lüfter. Umfangreiche Tests sollen gezeigt haben, dass die Lüfter in den Servern dabei nicht mehr Strom verbrauchen. Da die Wärmetauschertüren keinen eigenen Strom- und Netzwerkanschluss haben, bieten sie auch die nötige hohe Ausfallsicherheit und Verfügbarkeit. Außerdem sollen sich die Luft-Wasser-Wärmetauschertüren auch mit Server-Racks verschiedener Hersteller kombinieren und bei allen gängigen 19-Zoll- und Open-Compute-Racks nachrüsten lassen.
Unter optimalen Bedingungen (größtmöglicher Oberfläche gepaart mit geringem Druckverlust im Kühlluftstrom und Kühlwasserkreislauf) sollen die Luft-Wärme-Tauscher sich sogar für Leistungsdichten bis zu 50 kW pro Server eignen und für die Kühlung PUE-Werte von unter 1,2 drin sein. Bei einer Anwendung mit 15 kW zum Beispiel wären so nur 25 Watt für die Kühlung erforderlich sein. Im Verhältnis zu drei Backöfen, die auf Höchsttemperaturen laufen, entspricht das gerade mal der Beleuchtung, rechnet der Autor des LANline-Artikels vor.
Voraussetzung für die hocheffiziente Kühlung ist natürlich, dass jedes Rack eine Kühlwasserzufuhr hat. Um auch im Sommer die Temperatur im Rechenzentrum auf maximal 25 Grad Celsius zu halten, sind Freiluft-Chiller mit Adiabatik (adiabater Kühlung) und ähnliche Systeme mit hohem Freikühlungsanteil am effizientesten. Optimale Bedingungen bietet auch Kühlwasser aus regenerativen natürlichen Quellen. So bezieht die Universität Genf das Kühlwasser für ihr Rechenzentrum aus dem Genfer See, die Universität Konstanz aus dem Bodensee. Frankfurt am Main ist zwar der größte RZ-Standort in Deutschland, aber eigentlich zu warm und somit weniger gut geeignet.
Quelle Titelbild: iStock/ adventtr