Server mögen es kühl

Warum Kühlung im Rechenzentrum so wichtig ist

Rechenzentren bilden das Rückgrat der modernen digitalen Infrastruktur. Mit dem wachsenden Datenverkehr und dem verstärkten Einsatz von Künstlicher Intelligenz (KI) nimmt auch ihre Bedeutung zu. Was ebenfalls steigt, ist der Energiebedarf. Um die Energieeffizienz zu erhöhen und die nationalen Klimaziele zu erreichen, hat Deutschland die gesetzlichen Anforderungen an Rechenzentren sukzessive verschärft. Besonders betroffen sind dabei die Vorgaben zur Klimatisierung, da diese einen erheblichen Anteil am Gesamtenergieverbrauch der Rechenzentren ausmachen.

Rechenzentren erzeugen erhebliche Mengen an Abwärme, die zuverlässig abgeführt werden muss, um die Hardware vor Überhitzung und Bränden zu schützen. Mit steigender Serverdichte stoßen herkömmliche Kühlsysteme wie die herkömmliche Luftkühlung zunehmend an ihre Grenzen. Eine leistungsfähige Kühlung ist daher unerlässlich, um Schäden an Komponenten und Datenverluste durch Hitze zu vermeiden.

Im Durchschnitt entfallen 10 bis 15 Prozent der Betriebskosten eines Rechenzentrums auf die Kühlung – in älteren Anlagen kann dieser Anteil sogar bis zu 70 Prozent betragen. Im Jahr 2022 verbrauchten deutsche Rechenzentren rund 17 TWh Strom, wobei der größte Teil dieser Energie als Abwärme freigesetzt wird und abgeführt werden muss. (Quelle: Bikom-Studie „Rechenzentren in Deutschland – Marktstrukturen und Standorte“, 2023). Angesichts dieser Zahlen sucht die Branche kontinuierlich nach innovativen Lösungen, um die Energieeffizienz zu steigern und den Stromverbrauch nachhaltig zu senken.

Regularien werden strenger

Rechenzentrumsbetreiber in Deutschland unterliegen einer Vielzahl gesetzlicher Vorgaben. Zu den zentralen Regelwerken zählen u.a. das Klimaschutzgesetz (KSG), das Energieeffizienzgesetz (EnEfG), das Wärmeplanungsgesetz (WPG) sowie das Gebäudeenergiegesetz (GEG). Diese setzen unter anderem europäische Vorgaben wie die Verordnung (EU) 2018/842 und die Richtlinien 2012/27/EU sowie 2010/31/EU in nationales Recht um.

Das Klimaschutzgesetz wurde zuletzt im Juli 2024 novelliert. Die Reform verschärft die Klimavorgaben und schreibt das Ziel der Treibhausgasneutralität bis 2045 verbindlich fest. Bis 2030 sollen die Emissionen gegenüber 1990 um 65 Prozent sinken. Der Fokus liegt darauf, den Treibhausgasausstoß besonders dort zu reduzieren, wo die größten Einsparpotenziale bestehen.

Das Energieeffizienzgesetz (EnEfG) ist am 18. November 2023 in Kraft getreten und bildet erstmals einen sektorübergreifenden Rahmen für das Energiesparen in Deutschland. Ziel des Gesetzes ist es, die Energieeffizienz kontinuierlich zu steigern, den Primär- und Endenergieverbrauch zu senken, den Import fossiler Energieträger zu reduzieren und die Versorgungssicherheit zu stärken. Damit leistet das EnEfG einen wichtigen Beitrag zur Erreichung der nationalen und europäischen Energie- und Klimaschutzziele und setzt zentrale Vorgaben der EU-Energieeffizienzrichtlinie (EED) um.

Das EnEfG stellt insbesondere für Betreiber von Rechenzentren weitreichende Anforderungen:

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    Die Energieeffizienz der Infrastruktur wird anhand des PUE-Werts (Power Usage Effectiveness) gemessen. Für neu errichtete und bestehende Rechenzentren, die vor Juli 2026 in Betrieb gehen, gilt ab 2027 ein maximaler PUE von 1,5 und ab 2030 von 1,3. Für Inbetriebnahmen nach Juli 2026 ist bereits ab 2027 ein PUE von 1,2 einzuhalten.

  • Seit dem 1. Januar 2024 müssen Rechenzentren mindestens 50 Prozent ihres Strombedarfs aus erneuerbaren Energien decken. Ab dem 1. Januar 2027 ist eine vollständige Versorgung mit Ökostrom verpflichtend.
  • Ein zentrales Element ist die Nutzung von Abwärme: Ab Mitte 2026 müssen neu errichtete Rechenzentren einen bestimmten Mindestanteil der eingesetzten Energie als nutzbare Abwärme bereitstellen. Für Bestandsrechenzentren, die vor Juli 2026 in Betrieb gehen, steigt die Verpflichtung zur Abwärmenutzung schrittweise auf bis zu 20 Prozent bis 2028 an.
  • Betreiber sind verpflichtet, ein Energie- oder Umweltmanagementsystem (EMS/UMS) nach DIN EN ISO 50001 oder EMAS zu implementieren, sofern der durchschnittliche jährliche Endenergieverbrauch 7,5 GWh überschreitet. Ab einer bestimmten Größe ist eine Validierung oder Zertifizierung des Systems erforderlich.
  •  Zusätzlich bestehen umfangreiche Informationspflichten: Betreiber müssen jährlich relevante Daten an das Energieeffizienzregister für Rechenzentren übermitteln.

Das Wärmeplanungsgesetz (WPG) bildet zusammen mit dem Gebäudeenergiegesetz (GEG) den Rahmen für die Wärmeversorgung und Dekarbonisierung von Wärmenetzen und Gebäuden. Diese gesetzlichen Vorgaben zwingen Betreiber von Rechenzentren zum Handeln und zur Investition in effizientere und nachhaltigere Kühlsysteme.

Kühlsysteme, die den Anforderungen gewachsen sind

Effiziente Kühlsysteme sind ein Schlüsselfaktor, um die im Gesetz vorgeschriebenen PUE-Grenzwerte einzuhalten. Sie leisten einen wesentlichen Beitrag zur Senkung des Energieverbrauchs und zur Verringerung des CO₂-Fußabdrucks von Rechenzentren und unterstützen damit aktiv die Erreichung von Nachhaltigkeitszielen. Innovative Lösungen zur Nutzung von Abwärme, wie sie das EnEfG fordert, machen es möglich, die bislang ungenutzte Abwärme von Rechenzentren als wertvolle Energiequelle zu erschließen – etwa zur Beheizung von Gebäuden oder zur Einspeisung in Fernwärmenetze.

Auch die gesetzlich vorgeschriebene Versorgung mit Strom aus erneuerbaren Energien trägt maßgeblich dazu bei, die Umweltauswirkungen von Rechenzentren weiter zu minimieren und den Transformationsprozess hin zu einer klimafreundlichen IT-Infrastruktur zu beschleunigen.

Für die Kühlung von Rechenzentren gibt es verschiedene innovative Ansätze, die jeweils spezifische Vorteile und Einsatzbereiche bieten:

• • Luftkühlung: Diese klassische Methode ist nach wie vor am weitesten verbreitet. Mit zunehmender Serverdichte stößt sie jedoch an ihre Grenzen, da die Entstehung von Hotspots nur schwer oder gar nicht zu erkennen ist. Dies kann die Betriebssicherheit der Infrastruktur beeinträchtigen.

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    Wasserkühlung: Wasser besitzt eine bis zu 24-fach höhere Wärmeleitfähigkeit als Luft und ermöglicht dadurch eine deutlich effizientere Kühlung. Direkte Wasserkühlsysteme kommen vor allem bei Hochleistungsrechnern und in besonders leistungsintensiven Umgebungen zum Einsatz. Ein Nachteil ist jedoch die Nähe des Wassers zu empfindlichen elektronischen Komponenten, was ein erhöhtes Risiko birgt.

  • Außenluftkühlung: Diese Methode nutzt Wärmetauscher, um kühle Außenluft zur Temperierung des Rechenzentrums zu verwenden. Sie eignet sich besonders für Standorte in kälteren Klimazonen und kann den Energieverbrauch erheblich senken. Varianten mit Wasserübertragung sind ebenfalls verfügbar und bieten zusätzliche Flexibilität.
  • Wärmepumpen: Um die entstehende Abwärme effizient abzuführen, setzen viele Betreiber auf Wärmepumpen. Die daraus gewonnene Wärme kann zur Beheizung von Gebäuden oder zur Warmwasserbereitung genutzt werden und trägt zur nachhaltigen Energienutzung bei.
  • Klimageräte für Rechenzentren (CRAC/CRAH): Diese spezialisierten Klimageräte sorgen für eine präzise Luftbehandlung im Rechenzentrum. CRAC-Geräte (Computer Room Air Conditioner) arbeiten mit Direktverdampfung (DX), während CRAH-Geräte (Computer Room Air Handler) Kaltwasser (CW) verwenden. Beide Systeme ermöglichen eine gezielte Steuerung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit und tragen damit zu einer optimalen Betriebsumgebung bei.

Wer nicht gleich das gesamte Kühlsystem austauschen möchte, kann auch mit gezielten Maßnahmen Verbesserungen erzielen – etwa durch den Einsatz von Kältemitteln mit einem geringeren Global Warming Potential (GWP). Die Wahl des optimalen Kühlsystems hängt stets von den individuellen Standortbedingungen ab, wie der Außentemperatur und der Anlagengröße. Unabhängig von der gewählten Lösung ist Nachhaltigkeit heute unverzichtbar. Jedes Kühlsystem sollte zudem skalierbar sein, um auch zukünftigen Anforderungen flexibel und effizient begegnen zu können.

Einen kühlen Kopf bewahren

Ein effizientes Managementsystem zur Steuerung der Anlage ist nahezu ebenso entscheidend wie die Kühlung selbst. Moderne, integrierte Managementlösungen helfen Betreibern, sämtliche Ebenen der Gebäude- und IT-Infrastruktur zentral zu überwachen und zu steuern. Sie optimieren den Betrieb sowie den Energieverbrauch von Wärme- und Kälteerzeugungsanlagen und sorgen für eine kontinuierliche Verbesserung der Effizienz. Darüber hinaus übernehmen sie die Verwaltung aller Komponenten der Kälte- und Wärmeerzeugung sowie des gesamten Wasserkreislaufs und gewährleisten somit einen reibungslosen und nachhaltigen Betrieb.

Betreiber profitieren von einer deutlich gesteigerten Effizienz, da das Managementsystem die Leistung kontinuierlich an den tatsächlichen Bedarf der Anlage anpasst und so den Stromverbrauch sowie die Kühlung optimal steuert.

Das System identifiziert zudem frühzeitig potenzielle Störungsquellen, die dann von Mitarbeitenden behoben werden, bevor es zu Betriebsunterbrechungen oder Ausfällen kommt. Rechenzentren können damit auch Ausfälle simulieren, um im Ernstfall vorbereitet zu sein.

Das Managementsystem sorgt für Transparenz über alle kritischen Systeme der Anlagen und überwacht deren Energieverbrauch in Echtzeit. Dadurch lassen sich Ressourcen gezielter einsetzen, der vorhandene Platz optimal nutzen und ungenutzte Kapazitäten wieder verfügbar machen, da Ineffizienzen sofort sichtbar werden.

Stadtwerke Norderstedt schlagen zwei Fliegen mit einer Klappe

Ein konkretes Beispiel für die erfolgreiche Umsetzung einer effizienten Klimatisierung und Abwärmenutzung ist das Projekt der Stadtwerke Norderstedt. Die Stadtwerke betreiben ein Fernwärmenetz in unmittelbarer Nähe zu einem Rechenzentrum. Die bestehende Kälteanlage des Rechenzentrums verursachte jedoch erhebliche Geräuschprobleme und setzte große Mengen an ungenutzter Abwärme frei. Um die Anlage zu entlasten und die Energie effizienter zu nutzen, war eine Optimierung dringend erforderlich.

Um diese Herausforderungen zu lösen, holten die Stadtwerke Norderstedt Carrier Klimatechnik ins Boot. Der Anbieter intelligenter Klima- und Energielösungen installierte im Rechenzentrum eine Kaskade aus zwei Wasser/Wasser-Wärmepumpen des Typs AquaForce 61XWH-ZE10, die die anfallende Abwärme effizient nutzen, um das benachbarte Fernwärmenetz zu versorgen.

Die Wärmepumpen arbeiten mit dem Low-GWP-Kältemittel R-1234ze mit einem Treibhauspotenzial nahe Null (GWP 1,37). Sie liefern eine Vorlauftemperatur von 81 Grad Celsius und übernehmen gleichzeitig die Kälteversorgung des Rechenzentrums mit Temperaturen zwischen 13 und 19 °C. Bei einer Leistungsaufnahme von 652 kW stellen sie bei voller Serverauslastung jeweils eine maximale Kälteleistung von rund 1.200 kW und eine maximale Heizleistung von über 1.800 kW bereit. Der Gesamtwirkungsgrad (Heizen und Kühlen kombiniert) liegt bei beeindruckenden 4,9.

Durch den Einsatz der neuen Lösung wird die bestehende Kälteanlage des Rechenzentrums deutlich entlastet und der Stromverbrauch spürbar reduziert. Zudem arbeitet das System besonders geräuscharm. Die Einsparungen sowohl bei den Kosten als auch bei CO₂-Emissionen sind erheblich. Seit Inbetriebnahme im April 2024 hat die Anlage bereits 6,8 Millionen kWh Wärme ins Netz eingespeist – das entspricht dem Jahresbedarf von ca. 350 Vier-Personen-Haushalten. Jährlich lassen sich damit mindestens 3.800 Tonnen CO₂ einsparen.

Die Weichen sind gestellt

Die wachsenden Anforderungen an Rechenzentren – insbesondere durch gesetzliche Vorgaben zur Energieeffizienz und Abwärmenutzung – machen den Einsatz innovativer Kühllösungen und umfassender Managementsysteme unverzichtbar. Moderne Technologien wie hocheffiziente Flüssigkeitskühler, Wärmepumpen zur Nutzung von Abwärme sowie integrierte Steuerungssysteme unterstützen Betreiber, gesetzliche Vorgaben zu erfüllen, die Betriebssicherheit zu erhöhen und gleichzeitig einen aktiven Beitrag zum Klimaschutz zu leisten.

Info → Carrier