Energieeffizienz in Rechenzentren: Strategien für klimaneutrale Datacenter

Der Energiehunger von Rechenzentren: Status quo und politische Ziele

Datacenter und Server gelten als bedeutende Mitwirkende beim Klimawandel. Sie verschlingen gigantische Mengen an Strom für Betrieb und Kühlung und generieren hohe CO2-Emissionen. Allein in Deutschland stieg der Energieverbrauch der Server und Rechenzentren laut dem Branchenverband Bitkom von 2010 bis 2020 auf 16 Milliarden Kilowattstunden an – das ist deutlich mehr als der Stromverbrauch der Stadt Berlin.

Für Betreiber erzeugt der Energiefresser Rechenzentrum unnötig hohe Kosten. Viel wichtiger jedoch ist, dass energieineffiziente Datacenter die Klimaziele gefährden. Der Climate Neutral Data Centre Pact verfolgt das Ziel der Klimaneutralität von Rechenzentren bis spätestens 2030. Der aktuelle Koalitionsvertrag der Bundesregierung sieht sogar eine CO2-Neutralität für neue Rechenzentren bereits im Jahr 2027 vor.

Der wichtigste Hebel zur Reduzierung des CO2-Fussabdrucks und gleichzeitiger Kostensenkung liegt in einer höheren Energieeffizienz, die sich auf verschiedenen Ebenen realisieren lässt – von der Infrastruktur und Kühlung bis hinunter auf die Ebene der CPUs.

Effizienz auf Hardwareebene: Von der Prozessorwahl bis zum Lüfter

Bis vor wenigen Jahren stand bei der Auswahl von Server-CPUs primär die Performance im Vordergrund. Inzwischen hat die Relevanz von Energieeffizienz deutlich aufgeholt und dürfte künftig eines der zentralen Merkmale bei der Prozessorwahl sein. Hersteller wie Dell Technologies arbeiten schon seit Jahren an entsprechenden Lösungen.

Ein praktisches Beispiel zeigt das Einsparpotenzial moderner Prozessoren: Die Ausführung von 1200 VMs auf 2P-Servern mit einem AMD EPYC 7713 Prozessor erfordert circa 33 Prozent weniger physikalische Server und verbraucht 32 Prozent weniger Energie als vergleichbare Server mit Intel Xeon 8380 Prozessoren. Solche Effizienzgewinne sind auch im High Performance Computing (HPC) mit seinen extremen Anforderungen möglich.

Auch auf der Ebene der Lüfter und Kühlsysteme bieten spezialisierte Anbieter wie ARCTIC Produkte für Server und Workstations an, die für kontinuierlichen Betrieb (Continuous Operation) ausgelegt sind und verschiedene Sockel wie AMD SP5, SP3 oder Intel LGA4189 unterstützen.

Kühlung als Dreh- und Angelpunkt für Nachhaltigkeit

Da Server enorme Abwärme produzieren, sind effiziente Kühlsysteme unverzichtbar. Schätzungen zufolge entfallen realistisch zwischen 20 und 40 Prozent des gesamten Energieverbrauchs eines Rechenzentrums auf die Kühlung – in ungünstigen Fällen können es bis zu 70 Prozent sein.

Luftbasierte Verfahren und ihre Optimierung

Luftbasierte Systeme sind in der IT weitverbreitet. Neben klassischen Klimaanlagen und CRAC-Systemen („Computer Room Air Conditioning“), die als sehr zuverlässig, aber energiehungrig gelten, haben sich effizientere Methoden etabliert. Die Kaltgang- beziehungsweise Warmgangeinhausung trennt Warm- und Kaltluftbereiche physisch strikt voneinander, was eine wirksamere Kühlung bei gleichzeitig geringerem Energiebedarf gestattet.

Besonders an Standorten in kühlen Klimazonen bietet sich die freie Kühlung („Free Cooling“) an, bei der Außenluft für die Kühlung der Server genutzt wird. Dies kann den Energieverbrauch des Rechenzentrums stark reduzieren.

Flüssigkeitskühlung: Technologien und Effizienzpotenziale

Flüssigkeitskühlung (Liquid Cooling) gilt als Schlüsselinnovation für thermische und energetische Herausforderungen. Da Flüssigkeiten eine höhere Wärmekapazität als Luft besitzen, lässt sich Wärme effizienter übertragen.

Die wichtigsten Verfahren sind:

• Wasserkühlung: Wasser läuft durch Kühlblöcke, die mit den Prozessoren verbunden sind, und wird über Wärmetauscher wieder abgekühlt.
• Direkte Flüssigkeitskühlung (Direct Liquid Cooling – DLC): Spezielle Kühlmittel zirkulieren durch integrierte Leitungen in den Servern und bieten präzise Kühlung für kompakte Komponenten mit hoher Leistungsdichte.
• Immersionskühlung: Server werden vollständig in spezielle, nicht leitende Flüssigkeiten getaucht. Dies reduziert den Bedarf an Lüftern und Kühlkörpern drastisch, senkt den Lärm nahezu auf Null und vereinfacht die Wartung.

Ein konkretes Beispiel zeigt die Effizienz: Die Vernetzung von OVH Cloud mit den Kühlsystemen von Data4 an einem Standort in Frankreich ermöglicht eine Einsparung des Stromverbrauchs von etwa 25 Prozent im Vergleich zur herkömmlichen Luftkühlung. Auch Technologiegiganten wie Google, Microsoft und Facebook erproben und implementieren zunehmend Liquid-Cooling-Systeme.

Nachhaltige Betriebsstrategien und Abwärmenutzung

Nachhaltigkeit ist für Rechenzentren obligatorisch. Betreiber können den Einsatz von Strom aus erneuerbaren Energien forcieren und die Klimatisierung mit KI-Unterstützung optimieren. Bei Flüssigkeitskühlung bieten sich geschlossene Kreisläufe oder der Einsatz von Regenwasser an.

Zudem lässt sich die entstehende Abwärme nutzen, um benachbarte Gebäude zu beheizen oder eine Einspeisung in lokale Fernwärmenetze vorzunehmen. Anbieter wie ebm-papst entwickeln Plug-and-Play-Lüftungslösungen, die sich nahtlos in bestehende Systeme integrieren lassen und langfristig zuverlässig arbeiten.

Marktentwicklung und Zukunftsperspektiven

Die Nachfrage nach effizienten Kühlungslösungen treibt den Markt an. Laut Fortune Business Insights wird das weltweite Gesamtvolumen des Marktes für Datacenter Cooling aktuell auf rund 16,8 Milliarden Dollar beziffert. Bis 2032 wird ein Wachstum auf rund 42,5 Milliarden Dollar erwartet – das entspricht einer jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von etwa 12,3 Prozent.

Als Wachstumsfaktoren gelten der zunehmende und anspruchsvolle Einsatz von Künstlicher Intelligenz (KI), die hohe Nachfrage nach freien Kühlungen sowie der anhaltende Trend zur Migration in die Cloud. Die Bedeutung der Branche zeigt sich auch beim DataCenter-Insider Award 2024: In der Kategorie „Coole Kühlung“ gewannen Rittal (Platin), Stulz (Gold) und Lenovo (Silber).

Trotz höherer Anschaffungskosten und komplexerer Implementierung machen die langfristigen Vorteile von Liquid Cooling – Energieeinsparungen, höhere Leistungsdichte und geringere CO2-Emissionen – diese Technologie zu einer zunehmend attraktiven Option für Betreiber weltweit.