Wie können Rechenzentren den Wasserverbrauch reduzieren und die Effizienz verbessern?

Richard Pallardy | 27. Juli 2023

Wenn die meisten Menschen an Computer denken, denken sie vielleicht nicht an Wasser. Diese Ressource ist jedoch für die Kühlsysteme der meisten großen Rechenzentren von entscheidender Bedeutung – auf die die digitale Infrastruktur der Welt zunehmend angewiesen ist.

Durch verschiedene Mechanismen absorbiert Wasser die von Servern abgegebene Wärmeenergie, hält ihre Temperatur stabil und ermöglicht einen unterbrechungsfreien Betrieb.

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Unsere Abhängigkeit von Wasser zur Kühlung der Geräte, die das digitale Zeitalter vorantreiben, schafft jedoch neue Probleme – insbesondere in trockenen Regionen, die stark von Wasserknappheit betroffen sind.

Rechenzentren verbrauchen enorme Mengen Wasser, um Server mithilfe verschiedener Methoden kühl zu halten.

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„Der hohe Wasserverbrauch in Rechenzentren ist in erster Linie auf die Kühlsysteme zurückzuführen, die einen Wärmestau auf den Datenservern verhindern“, sagt Ian Clatworthy, Leiter des Produktmarketings für Datenplattformen bei Hitachi Vantara. „Kühlsysteme wie Kältemaschinen, Kühltürme und Klimaanlagen sind auf Wasser angewiesen, um die optimale Temperatur der Geräte aufrechtzuerhalten, was zu einem erheblichen Wasserverbrauch führt.“

Wie viel sie genau verbrauchen, bleibt unklar, was vor allem auf die mangelnde Transparenz bei den großen Anbietern zurückzuführen ist. Außerdem ist es schwierig, genaue Messungen zu ermitteln, da Wasser sowohl zur Kühlung der Maschinen als auch zur Erzeugung des Stroms verwendet wird, der sie antreibt.

Bei der Stromerzeugung kann bis zu viermal so viel Wasser verbraucht werden wie bei der Direktkühlung. Auf Rechenzentren entfallen fast 2 % des gesamten Stromverbrauchs in den Vereinigten Staaten. Während rund 40 % der Daten auf kleinen Servern vor Ort gespeichert werden, werden die Daten zunehmend an große externe Standorte ausgelagert.

Untersuchungen des Uptime Institute deuten darauf hin, dass ein einziges großes Rechenzentrum bis zu 6,75 Millionen Gallonen Wasser pro Jahr verbraucht. Eine Veröffentlichung aus dem Jahr 2021 geht von einem Durchschnitt von rund 150.000 Gallonen aus. Bis zu 57 % können aus Trinkwasserquellen stammen – was für die industrielle Nutzung ungewöhnlich ist.

„Leider kann diese Praxis die örtliche Wasserversorgung erheblich belasten, insbesondere in dürregefährdeten Gebieten“, sagt die Datenwissenschaftlerin und Autorin Kat Campbell. „Außerdem landet das in Kühlsystemen verwendete Wasser oft als Abwasser, was ein zusätzliches Umweltproblem darstellen kann.“

Ein Großteil des Wasserverbrauchsproblems ist auf ineffiziente Kühlsysteme – insbesondere Kühltürme – zurückzuführen. Kühltürme besprühen die von Servern erzeugte heiße Luft mit Wasser oder leiten die Luft über feuchte Medien. Durch den Kontakt mit Wasser wird der Luft Wärmeenergie entzogen und die kühlere Luft anschließend zurückgeführt. Durch Verdunstung gehen erhebliche Mengen Wasser verloren. Viele dieser Systeme verwenden auch Kühlmittelgeräte – Kühler –, um die Lufttemperatur ebenfalls zu senken. Da im Wasser Krankheitserreger entstehen können, muss es mit giftigen Chemikalien behandelt werden, die zusammen mit Wasserdampf freigesetzt werden können.

Die adiabatische Kühlung basiert auf ähnlichen Prinzipien, setzt jedoch nur dann ein, wenn die Umgebungstemperaturen dies erfordern. Während diese Systeme möglicherweise weniger Wasser benötigen, benötigen sie für ihren Betrieb auch mehr Energie.

„Der Wasserverbrauch hängt von vielen Variablen ab, darunter dem IT-Zuluftsollwert, den Umgebungstemperatur- und Luftfeuchtigkeitsbereichen für den geografischen Standort und der Art des eingesetzten Kühlsystems“, erklärt Stuart Lawrence, Vizepräsident für Produktinnovation und Nachhaltigkeit bei Stream Daten Center. „Nicht alle Systeme, die Wasser zum Kühlen verwenden, verbrauchen viel – einige verbrauchen einen höheren Anteil an elektrischer Energie in Kombination mit mehr Geräten, um die Wärme nur mit Luft und ohne Wasser abzuleiten. Einige nutzen die Verdunstungskühlung nur in den Hochsommermonaten und benötigen je nach Standort möglicherweise nur eine kleine Menge Wasser für ein paar Stunden am Tag.“

Dennoch beziehen bis zu ein Fünftel der Rechenzentren in den Vereinigten Staaten Wassereinzugsgebiete, die bereits „mäßig oder stark“ unter Wasserknappheit leiden, so eine Studie von Virginia Tech und Lawrence Berkeley National Lab aus dem Jahr 2021.

Die Platzierung von Rechenzentren in diesen Regionen hat sie in Konflikt mit der lokalen Wassernutzung gebracht, insbesondere weil viele von ihnen ihre Wasserversorgung aus aufbereitetem Wasser beziehen, das zum Trinken sowie zur Bewässerung und Reinigung von Wohngebieten bereitsteht. In einigen Gebieten wurden Genehmigungen für neue Rechenzentren aufgrund der Belastung der Wasserversorgung verweigert. Und in anderen haben Anwohner und Umweltgruppen protestiert.

Die Errichtung von Rechenzentren in kühleren Klimazonen kann den Wasserverbrauch verringern. Durch die Verwendung von Außenluft, die bereits durch die natürliche Umgebung gekühlt wird, können Kältemaschinen unnötig sein oder nur in der wärmeren Jahreszeit eingesetzt werden. Google und Microsoft haben mit diesem Ansatz experimentiert, der als „freie Kühlung“ bekannt ist.

Google behauptet, bei der Wassernutzung einen hyperlokalen Ansatz zu verfolgen. „Auf jedem Rechenzentrumscampus berücksichtigen wir bei unseren Kühlentscheidungen die lokale Umgebung – indem wir die Verfügbarkeit von kohlenstofffreier Energie und verantwortungsvoll gewonnenem Wasser in Einklang bringen –, um die Nettoauswirkungen auf das Klima sowohl heute als auch in der Zukunft zu minimieren“, behauptet das Unternehmen.

Dennoch argumentieren sie, dass wassergekühlte Rechenzentren effizienter seien als luftgekühlte Zentren. Während es in manchen Situationen wahr ist, trifft es in anderen nicht zu. Befürworter der Luftkühlung behaupten, dass diese Methode insgesamt effizienter sei und weniger Ressourcen benötige.

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