Rechenzentren setzen auf Kühltürme für Energieeffizienz

Da massive Datenströme in die Cloud fließen und ein rasches digitales Wirtschaftswachstum ankurbeln, proliferieren Rechenzentren weltweit. Die enorme Rechenleistung, die diese Einrichtungen unterstützt, erzeugt jedoch eine erstaunliche Wärmemenge. Eine effiziente Wärmeableitung hat sich als entscheidende Herausforderung für einen nachhaltigen Rechenzentrumsbetrieb herauskristallisiert. Kühltürme, die lange Zeit wegen ihres Wasserverbrauchs umstritten waren, werden neu bewertet und als wesentliche Komponenten betrachtet, die tatsächlich zu einer umweltfreundlicheren Dateninfrastruktur beitragen können, wenn sie richtig implementiert werden.

Die Kühlungslösungen für Rechenzentren variieren erheblich, abhängig von mehreren Faktoren, darunter die Größe der Einrichtung, die Rechenanforderungen, die regionalen Energiekosten und die Datenlastdichte. Die wichtigsten Kühlansätze umfassen:

• Wassergekühlte Kältemaschinen: Systeme mit Kältemaschinen, Pumpen, Kühltürmen und Plattenwärmetauschern, die Wärme durch Verdunstung ableiten.
• Luftgekühlte Kältemaschinen: Vereinfachte Systeme, die nur Kältemaschinen und Pumpen verwenden und die Luft zur Wärmeableitung nutzen.
• Direkte Verdunstungskühlung: "Sumpfkühlsysteme", die nasse Medien verwenden, die die Wasserverdunstung ohne mechanische Kühlung nutzen.
• Adiabatische Kühlung: Hybridsysteme, die Luft- und Wasserkühlung kombinieren und wasserunterstützte Kühlung während der Spitzenlastzeiten nutzen.

Betreiber müssen sowohl die Betriebskosten als auch die Umweltbelastung berücksichtigen, wenn sie Kühlungslösungen auswählen. Zwei Schlüsselkennzahlen leiten diese Entscheidungen: Die Power Usage Effectiveness (PUE), die den Gesamtenergieverbrauch im Verhältnis zur Nutzung der IT-Geräte misst (wobei 1,0 ideal ist), und die Water Usage Effectiveness (WUE), die den Wasserverbrauch des Kühlsystems bewertet.

Während Kühltürme Wasser durch Verdunstung verbrauchen, argumentieren Branchenexperten, dass dies gegen die Auswirkungen auf das breitere Energiesystem abgewogen werden muss. Tim Chiddix, VP Mechanical Engineering bei Swanson Rink, betont, dass die Auswahl der Kühltechnologie eine lokalisierte Analyse erfordert, die die klimatischen Bedingungen, die Energieinfrastruktur und die betrieblichen Anforderungen berücksichtigt.

Eine umfassende Bewertung muss den Wasserverbrauch über die gesamte Energiekette hinweg berücksichtigen. Traditionelle Kraftwerke wie Kohlekraftwerke verbrauchen während der Stromerzeugung erheblich Wasser. Während luftgekühlte Systeme den Wasserverbrauch vor Ort reduzieren, erhöhen ihre höheren Energieanforderungen indirekt den Wasserverbrauch in den Erzeugungsanlagen. In vielen Fällen weisen mechanische Verdunstungskühlsysteme eine insgesamt höhere Effizienz auf als luftgekühlte Alternativen.

Beispielsweise könnte ein luftgekühltes System, das jährlich 1 MW verbraucht, im Vergleich zu einem wassergekühlten System, das 0,5 MW mit einem Wasserverbrauch von 3.000 Gallonen pro Minute verbraucht, tatsächlich mehr Wasser sparen, wenn man die zusätzlichen Erzeugungsanforderungen der weniger effizienten luftgekühlten Option berücksichtigt.

Ein Whitepaper, das von Chiddix und Brook Zion mitverfasst wurde, "Data Center Water Usage in Denver, Phoenix, and Los Angeles: The Big Picture", untersuchte, ob die Reduzierung des Wasserverbrauchs in einzelnen Einrichtungen den regionalen Wasserverbrauch tatsächlich verringert. Die Studie ergab, dass die überlegenen Wärmeübertragungseigenschaften von Wasser es effizienter machen als Luft zur Kühlung, obwohl die Wirksamkeit je nach Klima variiert, wobei trockene Regionen am meisten profitieren.

Durch die Analyse von 1.500-kW-Beispieldatenzentren in drei Städten unter Einbeziehung lokaler Netzwasserintensitätsdaten des National Renewable Energy Laboratory verglichen die Forscher drei Systeme: Standard-wassergekühlte Kältemaschinen, luftgekühlte Kältemaschinen und Verdunstungskühlung. Die Ergebnisse zeigten, dass luftgekühlte Systeme deutlich mehr Energie benötigten (4.663.740 kWh jährlich in Denver gegenüber 1.610.748 kWh für wassergekühlte Systeme), wobei fast der gesamte Wasserverbrauch in die Stromerzeugungsanlagen verlagert wurde, anstatt eliminiert zu werden.

Chiddix warnt davor, dass gut gemeinte lokale Vorschriften, die eine Reduzierung des Wasser- und Energieverbrauchs vor Ort vorschreiben, unbeabsichtigt den Gesamtressourcenverbrauch erhöhen können, wenn die Auswirkungen auf die Stromerzeugung berücksichtigt werden. Wassergekühlte Systeme erweisen sich oft als effizienter, insbesondere wenn sie "freie Kühlung" (oder Wasserkreislauf-Ökonomizer)-Modi integrieren, die kalte Außenluft nutzen, um Wasser ohne mechanische Kühlung zu kühlen, wodurch der Energiebedarf unter günstigen Bedingungen potenziell um 75 % oder mehr reduziert werden kann.

Die variable Durchflusstechnologie ermöglicht es Betreibern, den Wasserfluss aus Kühltürmen in kühleren Jahreszeiten zu reduzieren, wobei einstellbare Lüftergeschwindigkeiten zusätzliche Energieeinsparungen ermöglichen. Modulare Kühlturmdesigns bieten weitere Vorteile, indem sie die Kapazitätserweiterung im Einklang mit dem Serverwachstum ermöglichen und gleichzeitig die Kapital- und Betriebskosten kontrollieren. Vorgefertigte modulare Systeme unterstützen auch eine schnellere Bereitstellung, die für zeitkritische Rechenzentrumsprojekte von entscheidender Bedeutung ist.

Da sich Rechenzentren weltweit weiter ausdehnen, muss bei der umfassenden Bewertung von Kühllösungen sowohl der direkte als auch der indirekte Ressourcenverbrauch berücksichtigt werden. Bei richtiger Implementierung mit einer systemweiten Perspektive können wasserbasierte Kühllösungen eine überlegene Effizienz erzielen und die Entwicklung einer nachhaltigen digitalen Infrastruktur unterstützen, während sie sowohl Energie als auch Wasserressourcen schonen.