Thorsten Reimann
Energiekosten sind der größte Posten in der Bilanz von Rechenzentren. Aktuell benötigen die deutschen Rechenzentren die Stromerzeugung vier mittelgroßer Kraftwerke. Bis zu 40 % der Gesamtbetriebskosten eines Rechenzentrums entfallen auf die Energie, die zur Kühlung der elektronischen Anlagen benötigt wird. Eine optimale Dämmung der kältetechnischen Anlagen ist eine der einfachsten und kosteneffizientesten Maßnahmen, um in Rechenzentren Energie zu sparen.
Der Artikel kompakt zusammengefasst
■ Bei Kälteanlagen mit hoher Betriebsstundenzahl ist schon bei moderaten Energiepreisen eine gegenüber den rein funktionellen Anforderungen erhöhte Dämmschichtdicke wirtschaftlich. Die Amortisation der Mehrkosten erfolgt in wenigen Jahren.
■ Anwendungsspezifisch müssen Dämmsysteme zusätzliche Anforderungen erfüllen. In Rechenzentren gehören dazu unter anderem der Einsatz von Materialien, die keine schädlichen Partikel freisetzen und eine leicht zu reinigende Oberfläche haben, sowie Materialien mit besonderen Brandschutzeigenschaften.
Digitalisierung, Künstliche Intelligenz, Cloud-Computing und Kryptowährungs-Mining treiben die Nachfrage nach Rechenzentren weiter voran. Die Größe des europäischen Rechenzentrumsmarkts wird heute auf 12,23 GW geschätzt und soll laut Prognosen bis zum Jahr 2029 auf 17,93 GW steigen, was einem durchschnittlichen jährlichen Wachstum von nahezu 8 % entspricht. Im Jahr 2023 entfiel der größte Anteil der Infrastruktur auf Tier-3-Rechenzentren 1). An der Spitze dieser Entwicklung steht das Vereinigte Königreich, gefolgt von Frankreich, Deutschland und Irland.
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Tier-3-Rechenzentren verfügen über ein hohes Redundanzniveau und haben eine Betriebszeit von rund 99,982 %, also eine Ausfallzeit von maximal 1,6 Stunden pro Jahr. Eine Tier-4-Zertifizierung fordert eine vollständige Fehlertoleranz und Redundanz für jede Komponente. Quelle: mordorintelligence.com
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Mit immer neuen Anwendungen für verschiedene Arbeits- und Lebensbereiche wachsen auch in Deutschland die Datenflut und der Bedarf an Rechenleistung. Frankfurt am Main stellt schon heute den weltweit größten Internet-Knoten dar. Sowohl Hyperscaler wie Google, AWS und Microsoft, als auch Unternehmenskunden werden in den nächsten Jahren verstärkt Rechenzentrumskapazitäten nachfragen. Microsoft plant aktuell den Bau vor drei Hyperscaler-Rechenzentren im Rhein-Erft-Kreis und will bis zu 3 Mrd. Euro investieren.
Da die wirtschaftliche Resilienz so eng mit der digitalen Infrastruktur und dem exponentiell wachsenden Datenbedarf verknüpft ist, sind Investitionen in innovative Technologien für Rechenzentren zwingend. Einem aktuellen Bericht der Internationalen Energieagentur (IEA) zufolge, wird sich der Stromverbrauch von Rechenzentren bis 2026 verdoppeln. Im Jahr 2022 verbrauchten Rechenzentren bereits 460 TWh etwa 2 % des gesamten weltweiten Stromverbrauchs.
Klimaneutrale Rechenzentren
Nach dem Willen der Europäischen Kommission sollen alle neu installierten Rechenzentren bis 2030 klimaneutral betrieben werden; Deutschland will dieses ehrgeizige Ziel bereits 2027 erreichen. Um Klimaneutralität zu erreichen, muss die Energieeffizienz der Anlagen, sowohl der IT als auch der Gebäudetechnik, weiter optimiert werden.
Durch den Einsatz erneuerbarer Energien, eine ressourcenschonende Kühlung aus natürlichen Quellen, wie Flüssen oder Fjords und der Nutzung der Abwärme in Fernwärmenetzen, kann die Klimabilanz verbessert werden. Das Ende 2023 in Kraft getretene Energieeffizienzgesetz (EnEfG) verpflichtet die Betreiber von Rechenzentren, überschüssige Wärme an externe Abnehmer, also z. B. Kommunen und Fernwärmeversorger, zu liefern. Rechenzentren sollen sich von Datenverarbeitungszentren zu Energiezentralen wandeln, die sowohl Daten als auch Wärme liefern können.
Nach dem EnEfG sollen alle Rechenzentren, die nach dem 1. Juli 2026 in Betrieb gehen, mit einem PUE-Wert (Power Usage Effectiveness, siehe Info-Kasten) von 1,2 betrieben werden. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen effiziente und nachhaltige Kühlungslösungen implementiert werden, denn stark an die Rechenleistung gekoppelt ist die Kühlung einer der energieintensivsten Prozesse. Die hohe Wärmeentwicklung von Computerservern erfordert eine effiziente Kühlung 2), um einen störungsfreien Betrieb zu gewährleisten und die Lebensdauer von Computer- und Speicherkomponenten zu verlängern.
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Die amerikanische Gesellschaft für Heizung, Kühlung und Klimatisierung (ASHRAE) empfiehlt für den sicheren Betrieb von IT-Ausrüstung Temperaturen zwischen 15 °C und maximal 32 °C.
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Das Kühlsystem im Rechenzentrum ist eine Grundvoraussetzung für den Betrieb und die Optimierung der Leistungsfähigkeit. Traditionell kommen bei der Kühlung von Rechenzentren zwei Technologien zum Einsatz: luft- und flüssigkeitsbasierte Kühlung. Bei der Luftkühlung wird zumeist gekühlte Luft durch Öffnungen im Boden bereitgestellt. Flüssigkühlsysteme werden immer beliebter, da sie bei der Wärmeabfuhr effizienter als die herkömmliche Bodenkühlung sind. Hierbei wird die Abwärme entweder direkt von den relevanten Komponenten der Server, beispielsweise dem Prozessor (CPU) und dem Grafik-Chip (GPU), oder auch indirekt über Wärmeübertrager oder Kühlplatten, die an den Komponenten angebracht sind, abgeleitet.
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Technische Dämmung
Unabhängig von der Technologie müssen Kühlanlagen professionell gedämmt werden, um sie langfristig sicher vor Tauwasserbildung und Energieverlusten zu schützen. Eine optimale technische Dämmung der Kälteanlagenteile erschließt deutliche Energieeinsparungen zu vergleichsweise geringen Kosten. Die Investitionen amortisieren sich in der Regel in weniger als einem Jahr und die Betreiber von Rechenzentren profitieren langfristig von erheblichen Energie- und Kosteneinsparungen.
Wie eine exemplarische Kalkulation zeigt (Bild 2), macht sich der Einsatz höherer Dämmschichtdicken in Rechenzentren, die rund um die Uhr betrieben werden, schnell bezahlt. Die höheren Kosten für eine 25 mm dicke Dämmung mit ArmaFlex Ultima werden bereits im ersten Jahr durch die Einsparungen der Energiekosten ausgeglichen und die Einsparungen übertreffen bereits im vierten Jahr die Einsparungen, die durch eine reine Tauwasserdämmung erzielt würden.
Die Investition in eine höhere Dämmschichtdicke ist somit eine wirtschaftlich rentable Entscheidung, die langfristig zu höheren Einsparungen führt. In dem einfachen Beispiel können die Betreiber von Rechenzentren durch eine optimale Dämmung bei einer Laufzeit von 20 Jahren gegenüber dem Dämmniveau zum reinen Tauwasserschutz zusätzliche Einsparungen von rund 13 500 Euro erreichen und damit insgesamt über 70 000 Euro einsparen. Dabei wurden voraussichtlich steigende Strompreise 3) noch nicht berücksichtigt. Wichtig: Bei Investitionsentscheidungen dürfen nicht nur die kurzfristigen Kosten berücksichtigt, sondern müssen langfristige Einsparungen und Umweltauswirkungen in Betracht gezogen werden.
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Die Strompreise inklusive aller Abgaben haben sich zwischen 2019 und 2023 für große und für kleine Rechenzentren um etwa 10 Ct/kWh erhöht. Bitkom geht auf der Basis einer Online-Befragung von Betreibern für das Jahr 2023 von einem Strompreis von rund 25 Ct/kWh für große und 30 Ct/kWh für kleine Rechenzentren aus. Anmerkung: Bei Neuverträgen war durch die Energiekrise der Strompreis für industrielle Abnehmer im Jahr 2022 am höchsten, ist dann aber 2023 und 2024 deutlich gesunken. Bei Kleinabnehmern (Haushalte) liegt der Hochpunkt bei Bestandskunden erst im Jahr 2023, vgl. Strompreisindex und Gaspreisindex für Haushaltskunden.
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Schutz vor Tauwasser und Korrosion
Kontrollierte Umgebungsbedingungen stellen den optimalen Betrieb in Rechenzentren sicher. Selbst geringfügige Abweichungen von den definierten Klimabedingungen können enorme Schäden verursachen. Ist die Luft zu trocken, kann es zu elektrostatischen Entladungen kommen. Ist sie zu feucht, kann sich Tauwasser bilden. Feuchtigkeit auf Hauptplatinen, in Festplatten und in Anschlussbuchsen kann zu Oxidation führen. IT-Technologie reagiert extrem empfindlich auf Feuchtigkeit. Eine hohe Luftfeuchtigkeit verringert die Lebensdauer der Ausrüstung und Feuchtigkeit kann Schäden, Korrosion und letztlich sogar den Ausfall der gesamten Anlage mit sich bringen.
Auch eine Tauwasserbildung auf technischen Anlagen hätte weitreichende Folgen: Korrosion, abtropfendes Wasser und Metallkorrosion durch Schadstoffe im Wasser können zu Datenkorruption, teuren Reparaturen oder sogar Ausfallzeiten führen und zum finanziellen Risiko werden. Bei einem Tier-3-Rechenzentrum beträgt die maximale Ausfallzeit 1,6 h/a, bei Tier 4 sind es nur 26,3 min/a. Wenn ein Rechenzentrum nicht mehr über ausreichende Kühlkapazitäten verfügt, um die Betriebstemperatur der Server zu halten, kann es seinen Tier-Status verlieren. Erhebliche finanzielle Verluste wären die Folge. Geschlossenzellige elastomere Dämmstoffe schützen die Installationen vor der Tauwasserbildung, verringern das Korrosionsrisiko und tragen so zur Betriebssicherheit der Anlage bei.
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Luft-Kontamination vermeiden
Ein weiteres Sicherheitsrisiko in Rechenzentren ist die Kontamination der Raumluft. Durch Staubkontakt besteht die Gefahr einer Beschädigung oder sogar eines vollständigen Ausfalls des Servers. Staubpartikel in der Luft (Baustaub, Zink-Whisker 4), Partikel und Fasern) stellen eine ständige Bedrohung der empfindlichen Anlagen und Geräte dar. Staubpartikel und korrosive Gase können die Energieeffizienz beeinträchtigen und IT-Ausrüstung im Laufe der Zeit beschädigen.
4)…………
Whisker (englisch für Schnurrhaar oder Backenbart), auch Haarkristalle, sind nadelförmige Einkristalle von wenigen Mikrometern Durchmesser und bis zu mehreren hundert Mikrometern bis mehrere Millimeter Länge, die zum Beispiel aus galvanisch oder pyrolytisch abgeschiedenen metallischen Schichten herauswachsen.
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Eines der größten Risiken für die Leistung von Rechenzentren sind unsichtbare Schadstoffe, die häufig über die Kanäle von Klimaanlagen im Gebäude verteilt werden. Schädliche Verunreinigungen wie Partikel, Gase und Mikroben können empfindliche Server-, Netzwerk- und Datenspeichergeräte beschädigen. Da Klimaanlagen kritische Komponenten für die Raumluftqualität sind, sollten in diesen unternehmenskritischen Reinraumumgebungen nur staub- und faserfreie Materialien eingesetzt werden. FEF-Dämmstoffe (FEF: flexible Elastomerschäume) setzen keine schädlichen Partikel frei und ihre glatte Oberfläche lässt sich sehr gut reinigen.
Brandschutz hat höchste Priorität
Brände sind eine der Hauptursachen für längere Ausfallzeiten von Rechenzentren. Die hohe Dichte der elektrischen Leistung erhöht die potenzielle Brandgefahr. Wenn ein Brand nicht sofort erkannt und gelöscht wird, können Daten unwiederbringlich vernichtet werden.
Und bei Bränden in Rechenzentren geht der Schaden oft über das rein Materielle hinaus, da sich Kunden und Investoren abwenden können und der Unternehmenswert langfristig Schaden nehmen kann. Aber bereits IT-Ausfallzeiten und Betriebsunterbrechungen können Unternehmen teuer zu stehen kommen. In Rechenzentren verwendete Dämmstoffe müssen darum mindestens schwer entflammbar sein und dürfen im Brandfall nur wenig Rauch entwickeln.
Rauchgase gefährden nicht nur die Mitarbeiter und erschweren die Evakuierung, sie richten häufig auch einen größeren Schaden als das Feuer selbst an. Die Folgeschäden durch Ruß und korrosive Gase belaufen sich bei Großschäden auf über 50 % der Gesamtkosten. Von den Folgekosten durch Betriebsausfälle ganz zu schweigen. Das als B/BL-s1,d0 klassifizierte ArmaFlex Ultima entwickelt im Brandfall 10-mal weniger Rauch als herkömmliche Elastomerprodukte. Das halogenfreie NH/ArmaFlex Smart setzt im Brandfall keine korrosiven Gase frei, die in Kombination mit Löschwasser aggressive Säuren bilden könnten.
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Langfristige Zuverlässigkeit
Als Gesellschaft sind wir stark von der Zuverlässigkeit digitaler Dienste abhängig. Um die digitale Wirtschaft am Laufen zu halten und wertvolle Daten und virtuelle Vermögenswerte zu schützen, müssen Rechenzentren ein kompromissloses Leistungsniveau erreichen. Ihr 24/7-Betrieb ist entscheidend für das reibungslose Funktionieren unserer Welt, Ausfallzeiten sind keine Option. Die Installation der neuesten Technologie kann einen großen Beitrag zur Verbesserung der langfristigen Zuverlässigkeit und Effektivität leisten.
Angesichts steigender Energiekosten und möglicher Engpässe in der Versorgungssicherheit ist eine energieeffiziente Kühlung entscheidend für eine höhere Nachhaltigkeit von Rechenzentren. Geeignete Dämmstoffe erhöhen die Brandsicherheit, verringern Schallemissionen, minimieren das Risiko von Ausfallzeiten aufgrund ungeplanter Wartungsarbeiten und können die Lebensdauer der gedämmten Anlagen verlängern. Durch die Verwendung optimaler Dämmschichtdicken können Betreiber langfristig erhebliche Energie- und Kosteneinsparungen erzielen. Eine effektive Dämmung reduziert den Energieverlust und minimiert den Bedarf an Kühlung, was wiederum zu einer Senkung der Energiekosten führt.
Fachberichte mit ähnlichen Themen bündelt das TGA+E-Dossier Kältetechnik
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Power Usage Effectiveness (PUE)
Der PUE-Wert (Power Usage Effectiveness) ist eine Kennzahl, die in Rechenzentren verwendet wird, um die Energieeffizienz zu messen. Er wird berechnet, indem man den Gesamtstromverbrauch des Rechenzentrums durch den Stromverbrauch der IT-Ausrüstung teilt. Ein niedrigerer PUE-Wert deutet auf eine höhere Energieeffizienz hin, da weniger Energie für nicht-rechenzentrumsbezogene Zwecke wie Kühlung und Beleuchtung verwendet wird. Der PUE-Wert bezieht sich allerdings ausschließlich auf die Energieeffizienz von Rechenzentren und vernachlässigt wichtige Aspekte wie die Effizienz der IT-Ausrüstung, Einsatz von energieeffizienter Hardware, Klimafaktoren, Wasserverbrauch, Einsatz erneuerbarer Energien und die Nutzung von Abwärme. Der PUE-Wert sollte daher immer mit anderen Kennzahlen betrachtet werden, um ein umfassendes Bild zu erhalten.
