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Die Zahl der Rechenzentren in den USA wächst ständig, da enorme Mengen digitaler Informationen gespeichert und gestreamt werden. Die enorme Rechenleistung in diesen Rechenzentren erzeugt Wärme, sodass effiziente Kühlung eine zentrale Anforderung an Gebäudesysteme ist. Verdunstungskühltürme sind ein wesentlicher Bestandteil vieler Kühlsysteme für Rechenzentren.

In jüngster Zeit haben einige den Einsatz von Kühltürmen in Frage gestellt und zur Untermauerung ihrer Argumente Wasserknappheit angeführt. Doch eine gründliche Untersuchung des Wasserverbrauchs für lokale Kühltürme im Vergleich zum Wasserverbrauch zur Stromerzeugung in regionalen fossil befeuerten Kraftwerken bringt überraschende Ergebnisse zutage.

Data center cooling towers

Kühloptionen für Rechenzentren

Es gibt mehrere Möglichkeiten, Rechenzentren zu kühlen, abhängig von der Größe, der zu kühlenden Computerkapazität, den regionalen Energiekosten sowie der Datenlast und -dichte. Beliebte Optionen sind:

• Wassergekühlte Kälteanlage – umfasst Kälteanlage, Pumpen, Kühlturm und Platten-/Rahmenwärmetauscher in Reihe mit der Kälteanlage

• Luftgekühlte Kälteanlage – beinhaltet Kältesystem und Pumpen

• Direkte Verdunstungskühlung – ohne mechanische Kühlung, auch „Sumpfkühlung“ genannt

• Adiabatische Kühlung – luftgekühltes System, unterstützt durch wassergekühltes System bei Spitzenbedingungen

Um Kunden zu gewinnen, wägen Rechenzentrumsbetreiber die Optionen ab und suchen nach Systemen, die Betriebskosten und Umweltbelastung reduzieren. Sie achten besonders auf die Power Use Effectiveness (PUE), definiert als das Verhältnis der Gesamtenergiemenge, die ein Rechenzentrum verbraucht, zur Energiemenge, die an die Computerausrüstung abgegeben wird. Ein PUE von 1 bedeutet, dass die Wärmeabgabeleistung der für die Computerausrüstung verbrauchten Energie entspricht.

Betreiber von Rechenzentren sind auch an der Wassereffizienz (WUE) interessiert. Kühltürme verdunsten Wasser, aber die Auswirkungen hängen vom Standort ab. Laut Tim Chiddix, PE, VP Mechanical Engineering bei Swanson Rink, einem führenden Unternehmen im Bereich der Planung von Rechenzentrumsinfrastruktur, können Rechenzentren zwischen einigen hundert und mehreren hunderttausend Quadratmetern groß sein, und keine Kühltechnologie funktioniert für alle Regionen, Kundenkriterien und Anwendungen gut. „Jede einzelne Anlage muss analysiert werden, um den Ansatz zu bestimmen, der die Bedürfnisse des Kunden am besten erfüllt und die Energie- und Wassersparmöglichkeiten der jeweiligen Region nutzt.“

Swanson Rink spezifiziert die Ausrüstung im Rahmen seiner Rechenzentrumspraxis und kombiniert häufig Kühltürme mit mechanischen Kühlern zur effizienten Kühlung.

Wassernutzungsprobleme müssen ganzheitlich bewertet werden

Die anhaltende Dürre in den westlichen Bundesstaaten hat viele Unternehmen dazu veranlasst, die Auswirkungen des Wasserverbrauchs bei der Kühlung von Rechenzentren zu überprüfen. Einige haben in Frage gestellt, ob die Kühltürme vor Ort angesichts dieser Engpässe zu viel Wasser verbrauchen. Bei der Bewertung der besten Kühlstrategie für ein Rechenzentrum ist es wichtig, den Wasserverbrauch ganzheitlich zu betrachten, einschließlich des Wasserverbrauchs dort, wo der Strom erzeugt wird. Unter diesem Gesichtspunkt betrachtet sind mechanische Verdunstungskühlsysteme oft weitaus effizienter als alternative Trockensysteme.

Die Wassermenge, die der Dampfkreislauf eines fossilbrennstoffbetriebenen Kraftwerks zur Stromerzeugung verbraucht, kann größer sein als die Wassermenge, die der Kühlturm des Rechenzentrums verbraucht. Ein Beispiel ist ein luftgekühltes System, das 1 Megawatt (MW) Strom pro Jahr verbraucht, verglichen mit einem wassergekühlten System, das 0,5 MW pro Jahr und 3.000 Gallonen Wasser pro Minute verbraucht. Die Anzahl der Gallonen, die das Kraftwerk zur Erzeugung der zusätzlichen 0,5 MW zur Stromversorgung des luftgekühlten Systems verbraucht, ist tatsächlich größer als die Wassermenge, die lokal vom Kühlturm des wassergekühlten Systems verbraucht würde. Eine Reduzierung des Energieverbrauchs von Kraftwerken kann tatsächlich Wasser sparen.

Tim Chiddix und Brook Zion von Swanson Rink haben die Frage des Wasserverbrauchs in einem Whitepaper mit dem Titel „Wasserverbrauch von Rechenzentren in Denver, Phoenix und Los Angeles: Ein Blick auf das große Ganze“ untersucht. Chiddix und Zion untersuchten, ob eine Reduzierung des Wasserverbrauchs in einem einzelnen Rechenzentrum zu einer Gesamtreduzierung des Wasserverbrauchs im regionalen Wasserversorgungssystem führt.

Die Autoren weisen darauf hin, dass Wasser ein effizienteres Medium zur Wärmeabfuhr ist als Luft, da die Verdunstung den Kühlprozess verbessert. „Die Verwendung wassergekühlter Kondensationssysteme im Vergleich zu luftgekühlten Kondensationsystemen kann Ihre Kühlenergiekosten erheblich senken. Die Wirksamkeit der Verdunstungskühlung ist jedoch stark standortabhängig, da das trockenere Klima zu einer höheren Effizienz führt.“

Sie untersuchten, ob diese Energieeinsparung mit einem Anstieg des Wasserverbrauchs vor Ort aufgrund der Verdunstung einhergeht. Sie betrachteten auch, ob diese Verdunstung Wasserverschwendung ist und ob die Eigentümer von Rechenzentren stattdessen luftgekühlte Geräte in Betracht ziehen sollten. Bei der Bewertung wurden beispielhafte Rechenzentren in Denver, Phoenix und Los Angeles verglichen. Dabei wurde das regionale Stromnetz untersucht, um festzustellen, wie viel Wasser die Energieversorger verbrauchen, um eine Kilowattstunde (kWh) Strom zu erzeugen.

Daten zum Wasserverbrauch aus dem technischen Bericht TP-550-33906 des National Renewable Energy Laboratory (NREL) sind in Tabelle 1 aufgeführt.

ZustandGallonen/kWh
Colorado1.20
Arizona7.88
Kalifornien4.64
Tabelle 1. Durchschnittlicher Wasserverbrauch in Kraftwerken

Die Studie untersuchte die Kühlung eines Beispiel-Rechenzentrums mit einer konstanten Kühllast von 1.500 kW. Die Autoren verglichen ein wassergekühltes Kühlsystem mit Standardeffizienz und ein luftgekühltes Kühlsystem mit Standardeffizienz sowie ein Verdunstungssystem ohne mechanische Kühlung. Die wassergekühlte Anlage umfasst ein Kühlsystem, Pumpen, einen Kühlturm und einen Platten-/Rahmenwärmetauscher in Reihe mit dem Kühler. Der luftgekühlte Kühler umfasst das Kühlsystem und die Pumpen. Tabelle 2 zeigt, dass der Stromverbrauch bei Volllast des luftgekühlten Kühlers deutlich höher war als der des wassergekühlten Kühlers.

KühlertypDenver (kW/Tonne)Phoenix (kW/Tonne)LA (kW/Tonne)
Luftgekühlt1.2501.3401.250
Wassergekühlt0.4310.4620.426
Tabelle 2. Stromverbrauch des Kühlers bei voller Auslastung

Der Wasserverbrauch durch Verdunstung basierte auf Trocken- und Feuchttemperaturdaten eines typischen meteorologischen Jahres (TMY3), die aus der National Solar Radiation Data Base (NSRDB) bezogen wurden. Die Autoren fanden heraus, dass das wassergekühlte Kühlsystem in Denver jährlich 1.610.748 kWh Energie verbrauchte und das luftgekühlte Kühlsystem 4.663.740 kWh.

Abbildung 1 zeigt den Energie- und Wasserverbrauch der in jeder Stadt analysierten mechanischen Kühlsysteme. Der Wasserverbrauch weist erhebliche Unterschiede auf, da die Wassermenge, die in den Kraftwerken verbraucht wird, weitaus größer ist als der Wasserverbrauch vor Ort.

Das luftgekühlte Kältesystem verbraucht mehr Strom und verdampft vor Ort kein Wasser. Der gesamte Wasserverbrauch entspricht dem Wasserverbrauch des Kraftwerks. Im Gegensatz dazu hat der wassergekühlte Kühler einen geringeren Stromverbrauch und eine Kombination aus Wasserverbrauch vor Ort und im Kraftwerk.

Laut Chiddix haben Kommunen, die von Rechenzentren verlangen, weniger Energie und Wasser vor Ort zu verbrauchen, möglicherweise nicht alle Auswirkungen dieser Anforderungen berücksichtigt. Seiner Meinung nach könnten die für das Rechenzentrum gewählten Kühltechnologien, wenn das Kraftwerk in die Gleichung einbezogen wird, tatsächlich zu einem höheren Gesamtenergie- und Wasserverbrauch führen.

Abb. 1. Quelle: Wasserverbrauch von Rechenzentren in Denver, Phoenix und Los Angeles: Ein Blick auf das große Ganze, von Tim Chiddix, PE, ATD und Brook Zion, PE, ATD

Weitere zu berücksichtigende Energiesparfaktoren

Wassergekühlte Technologien sind effizienter, insbesondere wenn bei kühlerem Wetter „freie Kühlung“ eingesetzt wird. Freie Kühlung, auch als „wasserseitige Economizer“-Kühlung bezeichnet, ist eine kostengünstige Methode, bei der niedrige Außenlufttemperaturen zur Kühlung von Wasser genutzt werden. Beim Betrieb im Freikühlungsmodus ist das Wasser aus dem Kühlturm kalt genug, sodass keine mechanische Kühlung durch den Kühler erforderlich ist. Dadurch wird der Energiebedarf erheblich reduziert, normalerweise um 75 Prozent oder mehr. Um die Energieeinsparungen zu nutzen, die mit freier Kühlung möglich sind, müssen genügend Stunden mit kaltem Wetter vorhanden sein, um die zusätzlichen Investitionen in den Platten-/Rahmenwärmetauscher und andere Komponenten zu rechtfertigen.

Bei der Bewertung der Vorteile von Kühltürmen für die Kühlung von Rechenzentren muss auch der „variable Durchfluss“ berücksichtigt werden, eine weitere Methode zur Reduzierung des Energieverbrauchs. Kühltürme sind für sommerliche Bedingungen ausgelegt. Der variable Durchfluss ermöglicht es Benutzern, den Wasserdurchfluss vom Kühlturm zum Kühler während der kühleren Jahreszeiten zu reduzieren. Die Lüfter werden mit niedrigerer Geschwindigkeit betrieben, was den Energieverbrauch senkt. Durch die Nutzung von Free Cooling und variablen Durchflussmodi kann der Energieverbrauch von Kühltürmen drastisch gesenkt werden.

Die Modularität der Kühltürme bietet einen weiteren Vorteil. Rechenzentrumsbesitzer ziehen es möglicherweise vor, ihre Anlagen im Laufe der Zeit auszubauen, wenn die Nachfrage nach Servern steigt. Um die anfänglichen Kapitalausgaben und Betriebskosten zu kontrollieren, können Rechenzentrumsbetreiber die Kühlkapazität später nach Bedarf erweitern, indem sie Systeme verwenden, die werkseitig montierte modulare Kühltürme enthalten, wenn die Anlage wächst. Es ist wichtig, dass der Bau von Rechenzentren termingerecht abgeschlossen wird, damit die Server schnell betriebsbereit sind und Einnahmen generieren. Modulare, vormontierte und vor Ort errichtete Kühltürme können zeitkritische Lieferanforderungen und Baupläne erfüllen.

Abwägen der Wasseroptionen

Es gibt viele Kombinationen von Verdunstungs- und mechanischen Kühllösungen, die zur Erfüllung der Kühlanforderungen von Rechenzentren in Betracht gezogen werden können. Da die Diskussion über Wasser zur Liste der Designüberlegungen hinzukommt, ist es wichtig, die Beziehung zwischen Netzstrom und lokalem Wasserverbrauch zu verstehen und zu bewerten, um fundierte Entscheidungen zur Energie- und Wassereinsparung treffen zu können.

DenverPhönixLos Angeles
Jährlicher Energieverbrauch (kW)Jährlicher Energieverbrauch (kW)Jährlicher Energieverbrauch (kW)
Wassergekühlter Kühler1,610,7481,726,6031,592,062
Luftgekühlter Kühler4,663,4704,999,0894,663,470
SystemJährlicher Wasserverbrauch
(Gallonen/Jahr)
Jährlicher Wasserverbrauch
(Gallonen/Jahr)
Jährlicher Wasserverbrauch
(Gallonen/Jahr)
Wassergekühlter Kühler3,593,00014,844,0007,732,000
Luftgekühlter Kühler4,645,00036,182,00016,640,000
Unterschied1,052,00021,338,0008,908,000
% Reduzierung des Wasserverbrauchs22.60%59.00%53.50%
Tabelle 3. Daten zum Vergleich von Kühlsystemen. Beispiel eines 1.500 kW Rechenzentrums

Über die Autoren: Paul Erlinger ist Global Business Development Manager – Data Centers and Technology und Kent Martens ist Regional Sales Manager für SPX Cooling Technologies, Inc.

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