Rechenzentrum der Zukunft: Zwischen hoher Leistungsdichte und Nachhaltigkeit

DKE: Herr Ackermann, als promovierter Physiker wissen Sie, welche Wechselwirkungen Energie, Wärme und Kälte innerhalb komplexer Systeme verursachen. Und als stellvertretender Vorsitzender im Normungsgremium DKE/GK 719 sind Sie darüber hinaus schon seit Jahren federführend an der Entwicklung von Normen im Bereich Rechenzentren beteiligt. In der Branche passiert gerade eine ganze Menge: Die Künstliche Intelligenz hat mit Chatbots und generativen AI-Tools Einzug in den Mainstream erhalten. Schätzungen legen nahe, dass Rechenzentren aktuell für drei Prozent der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich sind – genauso viel wie der globale Flugverkehr. Wohin geht die Reise?

Ackermann: Ich glaube, diese Frage stellt sich aktuell eine ganze Branche. Um ein Gefühl dafür zu bekommen, wie rasant sich die Leistungsdichte in den vergangenen Jahren verändert hat, lohnt sich ein Blick in das Innere eines Rechenzentrums. Dort stehen sogenannte Racks: Das sind genormte Einheiten, die Server, Router, Hardware und andere IT-Komponenten beinhalten und dort reihenweise nebeneinanderstehen. Das Ziel: Die Verarbeitung so vieler Daten wie möglich – auf möglichst wenig Platz. Früher lag die Leistung pro Rack-Einheit bei 0,5 bis 1 Kilowatt (kW). Heute bewegen wir uns im Durchschnitt bereits bei 8 bis 10 kW pro Rack. Perspektivisch – und das sind keine groben, sondern sehr solide Schätzungen – liegt ein einziges Rack bei bis zu 100 kW.

Das ist ein riesiger Sprung, der am Ende natürlich auch auf den exponentiellen Gebrauch von intensiven Rechenleistungen wie Künstliche Intelligenz zurückzuführen ist, aber eben nicht nur. So oder so muss man vor diesem Hintergrund kein Experte sein, um zu erkennen, dass die Stromverteilungssysteme in Rechenzentren schon bald einfach nicht mehr hinterherkommen.

DKE: Sprechen wir über die Zukunft von modernen Rechenzentren, dann sprechen wir auch immer über einen enormen Energieverbrauch, über eine starke Wärmeentwicklung und irgendwie auch über ein Platz-Problem. Geben Sie uns bitte einen Einblick: Welche Herausforderungen verstecken sich ganz konkret hinter den aktuellen Entwicklungen?

Ackermann: Eine zentrale Rolle spielt ganz klar das Tempo, mit der sich Technologie entwickelt. Ein wichtiger Aspekt, der sich daher in allen Rechenzentren stark verändern wird, ist die Kühlung. In den vergangenen Jahrzehnten hat man auf Luftkühlung gesetzt. Vereinfacht gesagt wird bei dieser Methode gekühlte Außenluft über ein Doppelboden-System mittels Ventilatoren in die Rack-Einheiten gegeben. Dort erwärmt sie sich wieder, wird abgeführt und der Kreislauf beginnt von vorne. Weil die Luftkühlung aber bei 10 Kilowatt pro Rack langsam aber sicher an physikalische Grenzen stößt, ist damit bald Schluss. Im Klartext: Wir können gar nicht so viel Luft umschaufeln wie nötig wäre, um die IT-Komponenten effizient zu kühlen. Und werden diese zu heiß, fallen sie natürlich einfach aus – das ist in jeder Einrichtung der absolute Worst Case.

Um das zu verhindern wird der Kühlungsprozess nicht mehr auf Basis von Luft, sondern Wasser funktionieren. Zwar lässt sich Luft besser und schneller temperieren. Aber im direkten Vergleich kann Wasser ungefähr tausendmal mehr Wärme speichern. Das Wasser kühlt die Komponenten dann indirekt über sogenannte Wärmetauscher – oder direkt, in dem es beispielsweise so nahe wie möglich an den Prozessoren vorbeifließt. Die Herausforderung, vor allem in Bezug auf das Thema Nachhaltigkeit, ist aber nicht der Einsatz von Wasser per se. Denn da sprechen wir über geringe Mengen. Das System basiert nicht, wie manchmal fälschlicherweise angenommen, auf Verdunstung. Es handelt sich um einen geschlossenen Kreislauf, der einmal befüllt wird und dann jahrelang mit dem gleichen Wasser arbeitet – mit Ressourcenverschwendung hat das erstmal überhaupt nichts zu tun. Das Problem liegt eher darin, bestehende Rechenzentren auf Wasserkühlung umzurüsten: Wo ist der Platz für neue Rohre? Wie schnell können Kältesysteme installiert werden? Da sind schnelle und nachhaltige Lösungen gefragt.

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DKE: Wenn wir konkret über neue Projekte sprechen, erhärtet sich im Hinblick auf Energieeffizienz der Eindruck, dass Rechenzentren ab sofort anders als bisher geplant werden müssen. Werfen wir einen Blick in das Bundesland Hessen: Dort forciert Amazon Web Services (AWS) den Neubau eines Rechenzentrums auf einem sieben Hektar großen Grundstück in Schönebeck. Und auch Google investiert mehrere Milliarden Euro, um in den kommenden Jahren nicht nur ein neues Rechenzentrum in der Nähe von Offenbach zu bauen, sondern auch um das Google-Rechenzentrum in Hanau zu erweitern.

Ackermann: Es ist wichtig, sich klar zu machen, dass es sich jedes Mal um einen sehr komplexen Sachverhalt handelt. Wir müssen verschiedene Perspektiven einnehmen, um zum einen den ganzheitlichen Ansatz für künftige Rechenzentren zu erarbeiten. Auf der anderen Seite ist jeder Neubau von individuellen Faktoren abhängig, die unter anderem den jeweiligen Standort betreffen. Das betrifft Statik, Sicherheit, Stromversorgung und eben den Bereich Kühlung. Aber über allem schwebt auch das Erreichen der Klimaziele, die im Energieeffizienzgesetz festgehalten wurden.

Da geht es vor allem um die Regelung der Abwärmenutzung. Und ich sage: endlich. Denn es ist das erste Mal, dass dieses Thema überhaupt verbindlich adressiert wird. Aus meiner Sicht ist das aber fast schon zu spät. Denn die Wärmewende passiert nicht auf Knopfdruck – schon gar nicht industrieübergreifend. Denn jetzt müssen sich AWS und Google, aber natürlich auch alle anderen, damit auseinandersetzen – und in der Folge in den Austausch mit den Netzbetreibern in Deutschland gehen. Teil der Debatte ist ein Abwärmeregister, das künftig transparent zeigen soll, wer Wärme liefern und wer sie nutzen kann. Und Rechenzentren sind effiziente Wärmelieferanten – keine Frage. Durch die Wasserkühlung erreichen wir ein Temperaturniveau, das sich hervorragend für Wärmenetze und Gebäudeheizungen eignet.

Aber, und das ist Teil der Wahrheit, Abwärmenutzung ist nur dann wirklich effizient, wenn Netze und Verbraucher in der Nähe der Quelle sind. Ein Rechenzentrum mitten im Wald ergibt da wenig Sinn. Und weil wir es bei den Wärmenetzen mit langen Planungs- und Bauzeiten von mindestens zehn Jahren oder mehr zu tun haben, ist eine frühzeitige Auseinandersetzung entscheidend.

DKE: In Ihrer Tätigkeit als Experte in der Normung haben Sie in der Vergangenheit ja bereits einige Hilfestellungen entwickelt, um in diesem Sektor Leitplanken aufzustellen. Was glauben Sie wie das Rechenzentrum der Zukunft aussieht? Wo steht es überhaupt? Und welche Rolle spielt dabei die Normung?

Ackermann: Auch wenn sich das im ersten Moment alles nicht sehr optimistisch anhört, bin ich davon überzeugt, dass Abwärme zum Beispiel fossile Heizsysteme ersetzen kann. Das ist nach wie vor absolut möglich. Dafür müssen wir jetzt aber auch alle an einem Strang ziehen. Wir brauchen Schnittstellen zwischen Rechenzentren und Netzbetreibern. Und vielleicht geht der Trend weg von den Mega-Komplexen in den Ballungszentren – hin zu kleineren, dezentralen Rechenzentren, die dann eher in kleinen Städten stehen. Das wäre eine Möglichkeit, um Wärme verstärkt lokal nutzbar zu machen.

Ein Ergebnis aus der Normung, das an dieser Stelle helfen kann, ist das Data Center Maturity Model – auch bekannt als Reifegradmodell. Es ist sozusagen ein Werkzeug, das zahlreiche Best-Practice-Beispiele enthält, die Orientierung und Vergleichsmöglichkeiten bieten, aus denen sich dann wieder konkrete To-Do’s ableiten lassen. Es gibt acht Aspekte, die sich zu gleichen Teilen in die beiden Bereiche Infrastruktur und IT aufteilen lassen. Dahinter versteckt sich der Impuls: Wo stehen wir aktuell überhaupt? Wer die Antwort auf diese Frage findet, kann das Projekt Schritt für Schritt planen.

Darüber hinaus gibt es immer mehr Rechenzentren, die mit dem Blauen Engel ausgezeichnet werden. Das ist ein Umweltzeichen, das mit strikten Grenzwerten für diverse Kennzahlen arbeitet und konkrete Anforderungen an Managementsysteme oder die Nutzung von IT stellt. Im Vergleich zu bestehenden Rechenzentren ist es für Neubauten deutlich einfacher dieses Zeichen zu bekommen, da die Kriterien schon als fester Bestandteil bei der Planung berücksichtigt werden können. Der Vorteil ist, dass sich die Grenzwerte, die für den Blauen Engel nötig sind, stark am Energieeffizienzgesetz orientieren. An diesem Punkt gibt es seit langem auch Unterstützung vom Umweltbundesamt, die die Normung wertschätzt und unterstützt.

DKE: Vielen Dank für das Gespräch.

Redaktioneller Hinweis:

Die Antworten entsprechen den persönlichen Ansichten und Meinungen des Interviewpartners und müssen nicht denen der DKE entsprechen.

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