Flüssigkeitskühlung oder Luftkühlung fürs Rechenzentrum?

Modern Datacenter
Bild: ©Arjuna Kodisinghe/stock.adobe.com

Nach Angaben der Internationalen Energieagentur wird sich der Stromverbrauch in Rechenzentren bis 2026 im Vergleich zu 2022 verdoppeln, wobei etwa 40 Prozent des Energiebedarfs auf die Kühlung entfallen. Als Reaktion darauf führen die Regierungen strengere Compliance-Anforderungen ein. Die Flüssigkeitskühlung (LC) gilt als die nächste Generation der Kühltechnologie. Die Frage, ob und wie die Flüssigkeitskühlung in den Bau von Rechenzentren integriert werden soll, hat sich für Unternehmen jedoch zu einem Stolperstein bei der Erstellung konkreter Einsatzpläne entwickelt. Der Infrastrukturanbieter Kaytus beschreibt, wann sich der Einsatz einer Flüssigkeitskühlung eignet und zeigt anhand der Fallstudie eines Berliner Rechenzentrums, wie Benutzer fundierte Entscheidungen über den Einsatz von Flüssigkeitskühlung treffen können.

Für welche Szenarien eignet sich Flüssigkeitskühlung?

Zu den gängigen Formen der Flüssigkeitskühlung gehören zum einen die Verwendung von Kühlplatten und zum anderen die Methode der Tauchkühlung. Die Kühlplattentechnologie ist in der Industrie am weitesten verbreitet und hat laut Kaytus einen Marktanteil von über 90 Prozent.

Tatsächlich ist die Wärmeabfuhrkapazität pro Volumeneinheit bei der Flüssigkeitskühlung 3.000-mal höher als bei der herkömmlichen Luftkühlung (AC), sie ist also wesentlich energieeffizienter. Darüber hinaus eignet sich das kompakte Design von Flüssigkeitskühlsystemen für den Einsatz in Server-Schränken mit hoher Leistungsdichte.

Die Flüssigkeitskühlung ist zudem geeignet für die Anwendung bei Chips mit einer Leistungsaufnahme von über 250W und unterstützt eine Leistungsdichte von über 40kW pro Server-Schrank. Als weiteres Einsatzfeld von Flüssigkeitskühlung nennt Kaytus High-Density-Computing-Anwendungen wie KI und HPC (High Performance Computing):

  • KI und HPC: Für typische High-Density-Computing-Anwendungen kann die Flüssigkeitskühlung bei großen Sprachmodellen (LLMs), autonomem Fahren, Computer Vision, technischen/medizinischen Simulationen, wissenschaftlichen Berechnungen und anderen Anwendungen eingesetzt werden.
  • Cloud-Computing: Bei Cloud-Diensten, die von Hyper-Scale-Rechenzentren unterstützt werden, unterstützt Flüssigkeitskühlung den stabilen Betrieb von Rechenzentren trägt dazu bei die Betriebs- und Wartungskosten zu senken.


Flüssigkeitskühlung vs. Luftkühlung – eine Analyse der Gesamtbetriebskosten

Doch welche Effekte bietet die Flüssigkeitskühlung im Vergleich zur Luftkühlung? In einer realen Anwendung betrachtet Kaytus in einem 5Petaflops-Rechenzentrum in Berlin sowohl Luft- als auch Flüssigkeitskühlung. Dazu hat das Unternehmen dessen Einsatz- und Betriebsdaten der vergangenen fünf Jahre zusammengestellt. Das Ergebnis der Untersuchung: Obwohl die Anfangsinvestition für die Flüssigkeitskühlung höher ist als die für luftgekühlte Rechenzentren, zeigen sich bei den Gesamtbetriebskosten (Anfangsinvestition und täglicher Betrieb) für die Flüssigkeitskühlung bereits nach dem ersten Betriebsjahr finanzielle Vorteile. Der Abstand vergrößert sich im Laufe der Betriebszeit weiter. Nach den Berechnungen von Kaytus sprechen folgende Effekte für Flüssigkeitskühlung:

  • Raumausnutzung: Die Flüssigkeitskühlung eignet sich besser für High-Density-Implementierungen. In dem Rechenzentrum mit 225 Servern reduziert die Flüssigkeitskühlung die Anzahl der Server-Schränke von 58 (mit Luftkühlung) auf nur 19 – eine Reduzierung um 67 Prozent.
  • Energieeffizienz: 0,19 niedrigerer PUE-Wert (Power Usage Effectiveness). Im Vergleich zur Luftkühlung wird das Niveau von 1,34 auf 1,15 gesenkt. Der PUE-Wert bei der Flüssigkeitskühlung ist deutlich niedriger und nähert sich dem Idealwert von 1.
  • Nachhaltigkeit: Die jährliche Einsparungen berechnet Kaytus mit 1,31Mio.kWh, was etwa 35t Kohlenstoffemissionen entspricht.

Berechnung der Kosteneinsparungen

Die Flüssigkeitskühlung kann die jährlichen Stromkosten des untersuchten Rechenzentrums um etwa 250.000€ senken und gleichzeitig die Betriebskosten, wie Wartungs- und Raumkosten, um 130.000€ reduzieren. Insgesamt können die Nutzer laut der Fallstudie also mit Einsparungen von 380.000 € pro Jahr rechnen. Die Differenz zwischen den Anfangsinvestitionen für Flüssigkühlung und Luftkühlung beziffert Kaytus mit 739.000€ zugunsten der Luftkühlung.

Auf Basis dieses Betrags und der jährlichen Einsparungen ergibt sich folgende Rechnung: 739.000€ (Differenz zwischen LC- und AC-Anfangsinvestition) / 380.000€ pro Jahr (jährliche Einsparungen durch LC) ? 1,94 Jahre Amortisationszeit.

Nach drei Jahren reduzieren sich die Gesamtbetriebskosten (TCO) um etwa 400.000 € (380.000€ x 3 – 739.000€), und über einen Zeitraum von fünf Jahren belaufen sich die potenziellen Gesamtkosteneinsparungen auf 1,16Mio.€.

Kaytus sieht drei Hauptvorteile von Flüssigkeitskühlsystemen:

  • Bessere Wärmeableitung zur Gewährleistung der Systemstabilität: Mit Flüssigkeitskühlung bleibt die Betriebstemperatur der CPU zwischen 40°C und 50°C und damit rund 20°C niedriger als bei der Luftkühlung. Dies reduziert das Risiko von Ausfällen aufgrund lokaler Hotspots und optimiert Rechenleistung. Darüber hinaus kommen flüssigkeitsgekühlte Server im Vergleich zu luftgekühlten Servern ohne oder mit weniger schnellen Lüftern aus, was Vibrationen reduziert und das Risiko von Speicher- und Laufwerksausfällen verringert.
  • Verbesserte Energieeffizienz, geringere Kohlenstoffemissionen: Die effizientere Kühlung von IT-Geräten senkt deren Gesamtenergieverbrauch. Diese Systeme können die Energieeffizienz im Vergleich zu herkömmlichen luftgekühlten Rechenzentren um mehr als 30 Prozent verbessern. Dadurch werden auch die Kohlendioxidemissionen reduziert.
  • Optimierung der Raumnutzung durch Unterstützung von High-Density-Computing: Flüssigkeitsgekühlte Rechenzentren können mehr Server auf demselben Raum unterbringen. Die Leistungsdichte pro Schrank kann bis zu 130kW betragen, was eine höhere Rechen- und Einsatzdichte und niedrigere Gesamtbetriebskosten (TCO) ermöglicht.

Flüssigkeitskühlung für ‚Green Computing‘-Ansatz

Der Einsatz von Flüssigkeitskühlungen wird nicht nur durch neue Anwendungen wie KI und HPC vorangetrieben, sondern auch Nachhaltigkeitsziele. In diesem Zusammenhang ist das Konzept des ‚Green Computing‘ entstanden. Kaytus definiert dieses als die kontinuierliche Optimierung und Verbesserung der IT-Architektur von Rechenzentren, um die Energieeffizienz über den gesamten Lebenszyklus der Datenverarbeitung zu verbessern – von der Erzeugung und Übertragung bis hin zur Anwendung der Daten. Aus Sicht von Kaytus passt die Flüssigkeitskühlung als Schlüsseltechnologie perfekt zu dieser Definition. Bei der Auswahl von Flüssigkeitskühlsystemen sei es jedoch wichtig, die Effizienz des gesamten Rechnersystems zu bewerten – von den Komponenten und Servern bis hin zu den Anwendungen der oberen Schicht. Anwender sollten Flüssigkühllösungen wählen, die sich auf Energieeffizienz und Zuverlässigkeit konzentrieren und auf ihre jeweiligen spezifischen Anforderungen an die Wärmeableitung, die Bedingungen im Rechenzentrum und ihr Kostenbudget zugeschnitten sind.



  • Höhere Standards für IoT Security ab 2024

    Höhere Standards für IoT Security ab 2024

    Das Internet der Dinge stellt eines der größten Risiken in der Informationstechnologie dar. Die EU-Kommission erhöht mit neuen Sicherheitsanforderungen deutlich den Druck auf Hersteller, Integratoren und Händler von IoT Geräten…

    mehr lesen: Höhere Standards für IoT Security ab 2024

  • Kaum wirksamer Schutz vor Cyberangriffen

    Kaum wirksamer Schutz vor Cyberangriffen

    55 Prozent der großen Unternehmen sind nicht in der Lage, Cyberangriffe schnell zu identifizieren, wirksam zu bekämpfen oder deren Auswirkungen schnell zu begrenzen. Dies geht einer Befragung der Unternehmensberatung Accenture…

    mehr lesen: Kaum wirksamer Schutz vor Cyberangriffen

  • VDMA und BKA vertiefen Zusammenarbeit

    VDMA und BKA vertiefen Zusammenarbeit

    Gemeinsam gegen Cybercrime VDMA und BKA vertiefen Zusammenarbeit Das Bundeskriminalamt (BKA) und der VDMA haben eine vertiefte Zusammenarbeit vereinbart. Durch gegenseitigen Erfahrungs- und Informationsaustausch soll erreicht werden, dass Cybercrime in…

    mehr lesen: VDMA und BKA vertiefen Zusammenarbeit

  • Industrial Transformation auf der Hannover Messe 2022

    Industrial Transformation auf der Hannover Messe 2022

    Digitalisierung und Nachhaltigkeit sind die Schwerpunktthemen der Hannover Messe 2022. Damit will die Industriemesse Impulse für mehr Klimaschutz in Wirtschaft und Industrie setzen. Die Hannover Messe wird im April 2022…

    mehr lesen: Industrial Transformation auf der Hannover Messe 2022

  • Siemens und Merck kooperieren

    Siemens und Merck kooperieren

    Im Rahmen einer Partnerschaft wollen Siemens und Merck Vertrauen in Machine-to-Machine-Kommunikation (M2M) in industriellen Wertschöpfungsketten fördern.

    mehr lesen: Siemens und Merck kooperieren

  • Bitkom-Präsident Berg im Amt bestätigt

    Bitkom-Präsident Berg im Amt bestätigt

    Bitkom-Präsident Achim Berg wurde für weitere zwei Jahre im Amt bestätigt. Zudem wurde Sabine Bendiek (SAP) zur neuen Vizepräsidentin ernannt.

    mehr lesen: Bitkom-Präsident Berg im Amt bestätigt

  • KI-Spezialist Cognostics gehört nun Cloudflight

    KI-Spezialist Cognostics gehört nun Cloudflight

    Cloudflight übernimmt den KI-Software-Development-Spezialisten Cognostics. Anwender sollen dadurch unter anderem zusätzliche KI-Expertise im Bereich Softwareentwicklung für kognitive Systeme erhalten.

    mehr lesen: KI-Spezialist Cognostics gehört nun Cloudflight

  • Ifo-Institut beziffert Produktionsausfälle mit 40Mrd.€

    Ifo-Institut beziffert Produktionsausfälle mit 40Mrd.€

    Die deutsche Industrie hat derzeit mit Lieferengpässen zu kämpfen und laut Ifo Institut haben diese bereits zu Produktionsausfällen in Höhe von 40Mrd.€ geführt.

    mehr lesen: Ifo-Institut beziffert Produktionsausfälle mit 40Mrd.€

  • Orbis bündelt HR-Knowhow unter neuer Dachmarke

    Orbis bündelt HR-Knowhow unter neuer Dachmarke

    Die Orbis-Gruppe will mit der neuen Dachmarke Orbis People ihr SAP-Knowhow im Bereich Personalmanagement unter einem Dach bündeln.

    mehr lesen: Orbis bündelt HR-Knowhow unter neuer Dachmarke

  • Maschinen- und Anlagenbau bleibt trotz Materialengpässen auf Kurs

    Maschinen- und Anlagenbau bleibt trotz Materialengpässen auf Kurs

    Der Maschinen- und Anlagenbau bekommt die globalen Materialengpässe und Lieferschwierigkeiten zunehmend zu spüren. „Wie in allen Industrien, werden sich auch bei uns die Lieferschwierigkeiten bei einigen Vorleistungen noch längere Zeit…

    mehr lesen: Maschinen- und Anlagenbau bleibt trotz Materialengpässen auf Kurs

  • Ifo-Index fällt um 1,2 Punkte

    Ifo-Index fällt um 1,2 Punkte

    Lieferengpässe drücken die Stimmung der deutschen Wirtschaft. So gehen die Indexwerte von Industrie, Handel und Dienstleistungen im Oktober zurück. Lediglich aus dem Bauhauptgewerbe kommen positive Signale.

    mehr lesen: Ifo-Index fällt um 1,2 Punkte

  • Energieeffizienz verbessern, CO2-Ausstoß verringern

    Energieeffizienz verbessern, CO2-Ausstoß verringern

    Die EU soll bis 2050 klimaneutral werden – über den European Green Deal und eine Abgabe auf CO2-Emissionen. Fraunhofer-Forschende unterstützen Unternehmen bei der Reduktion ihrer Emissionen mittels Net-Zero-Technologien.

    mehr lesen: Energieeffizienz verbessern, CO2-Ausstoß verringern