Heißwasserkühlung im HPC: Wie Rechenzentren Energie effizienter nutzen

Ein HPC-System braucht nicht nur Strom zum Rechnen. Auch Pumpen, Lüfter und gegebenenfalls Kältemaschinen benötigen Energie, um die entstehende Wärme abzuführen. Genau an diesem zusätzlichen Aufwand setzt direkte Heißwasserkühlung an. Sie kann außerdem helfen, Abwärme außerhalb des Rechenzentrums zu nutzen. Beides ist wertvoll – sollte aber getrennt bewertet werden.

Wie kann heißes Wasser einen Rechner kühlen?

Der Begriff klingt zunächst widersprüchlich. Gemeint ist jedoch kein kochendes Wasser. Das Kühlmedium muss ausreichend kühler sein als die zu kühlenden Komponenten und die zulässigen Betriebstemperaturen einhalten. Dann kann es Wärme aufnehmen, obwohl es sich für Menschen bereits warm oder heiß anfühlt.

Bei der direkten Flüssigkeitskühlung fließt das Kühlmedium beispielsweise durch Kühlplatten an Prozessoren. Es nimmt die Wärme nahe an ihrer Entstehung auf und transportiert sie über einen Kreislauf ab. Ein Praxisbericht des US-Energieministeriums zur HPC-Kühlung auf Maui beschreibt dieses Prinzip mit direkter Kühlung von Prozessoren und Speicher sowie Rückkühlung über Außenluft.

Welche Vorlauftemperatur möglich ist, hängt vom Server und vom gesamten Kühlkonzept ab. Warmwasser- oder Heißwasserkühlung ist deshalb keine pauschale Temperaturfreigabe: Maßgeblich bleiben die Vorgaben des jeweiligen Systems.

Wo entstehen die Effizienzvorteile?

Weniger Aufwand für die Kälteerzeugung

Je höher die zulässige Temperatur des Kühlwassers, desto häufiger kann sich die Wärme ohne energieintensive Kälteerzeugung an die Außenluft abgeben lassen. Dieses Prinzip wird als freie Kühlung bezeichnet. Ob es ganzjährig funktioniert, hängt unter anderem von Standortklima, Temperaturgrenzen und der Auslegung der Rückkühler ab.

Auch freie Kühlung ist nicht stromlos: Pumpen und gegebenenfalls Ventilatoren bleiben erforderlich. Das Leibniz-Rechenzentrum beschreibt anhand von SuperMUC-NG, wie Warmwasserkühlung den Bedarf an zusätzlicher Kühltechnik deutlich reduzieren kann.

Weniger Wärme über die Raumluft abführen

Wird ein großer Teil der Wärme direkt in den Flüssigkeitskreislauf übertragen, muss entsprechend weniger über die Raumluft abgeführt werden. Dabei ist der tatsächliche Kühlumfang entscheidend: Eine Lösung für CPUs und GPUs erfasst nicht automatisch Netzteile, Speicher und Netzwerkkomponenten. Verbleibende Luftkühlung muss in der Planung berücksichtigt werden.

Abwärme nutzen: ein zusätzlicher Nutzen, keine automatische Einsparung

Warmes Rücklaufwasser kann als Wärmequelle dienen, etwa für Gebäude oder Wärmenetze. Dafür müssen Temperaturniveau, Entfernung und zeitlicher Wärmebedarf zusammenpassen. Benötigt der Abnehmer höhere Temperaturen, kann eine Wärmepumpe erforderlich sein. Deren Energiebedarf gehört ebenfalls in die Bilanz.

Ein konkretes Beispiel liefert CAPELLA an der TU Dresden. Die MEGWARE-Fallstudie zu CAPELLA beschreibt direkt mit 35 °C warmem Wasser gekühlte Server ohne Serverlüfter. Mehr als 95 Prozent der Abwärme werden demnach über Warmwasser abgeführt; Wärmepumpen unterstützen ihre Nutzung im Fernwärmenetz.

Diese Angabe bezeichnet den über Wasser abgeführten Wärmeanteil – nicht eine Stromersparnis von 95 Prozent. Sie ist zudem projektspezifisch und lässt sich nicht pauschal auf andere HPC-Installationen übertragen. Für eine belastbare Planung muss auch geklärt werden, wohin die Wärme fließt, wenn gerade kein Abnehmer vorhanden ist.

Wie lässt sich die Energieeffizienz bewerten?

PUE beschreibt den Infrastrukturaufwand

Die Kennzahl Power Usage Effectiveness, kurz PUE, setzt den gesamten Energieverbrauch eines Rechenzentrums ins Verhältnis zum Energieverbrauch seiner IT. Beide Werte müssen dieselbe Bilanzgrenze und denselben Zeitraum berücksichtigen. Die Erläuterung des US-Energieministeriums zu PUE verwendet dafür die Jahresenergiemengen.

Ein rein rechnerisches Beispiel: Bei 1.000 MWh IT-Verbrauch und 1.200 MWh Gesamtverbrauch beträgt die PUE 1,20. Die zusätzlichen 200 MWh entfallen auf die unterstützende Infrastruktur – nicht ausschließlich auf Kühlung. Sinkt der Gesamtverbrauch bei unverändertem IT-Verbrauch auf 1.100 MWh, liegt die PUE bei 1,10. Das Beispiel ist keine Prognose für ein bestimmtes System.

Die erledigte Rechenarbeit bleibt entscheidend

Eine niedrige PUE allein sagt nicht, wie viel Energie eine Simulation bis zum Ergebnis benötigt. Deshalb sollten Betreiber zusätzlich Laufzeit und Energieverbrauch repräsentativer Rechenjobs betrachten. Auslastung und Softwareoptimierung können die Gesamtbilanz ebenso beeinflussen. Nutzbare Abwärme, Wasserverbrauch und eingesetzte Energiequellen ergänzen die Betrachtung; sie werden durch die PUE allein nicht beschrieben.

Was sollte vor der Umsetzung geklärt werden?

Für die Projektvorbereitung bietet sich folgende Checkliste an:

• IT und Temperaturen: Welche Komponenten werden direkt gekühlt, welche Vor- und Rücklauftemperaturen sind vorgesehen?
• Standort und Last: Wie funktioniert die Kühlung bei Sommerhitze, Teillast und späterem Ausbau?
• Betrieb: Wie sind Wasserqualität, Leckageüberwachung, Wartung und Ausfallsicherheit geregelt?
• Wärmenutzung: Wer nimmt die Wärme wann und auf welchem Temperaturniveau ab?
• Nachweis: Welche Messpunkte und Vergleichsbedingungen machen Energiebedarf und Kosten nachvollziehbar?

Fazit: Kühlung und Rechenleistung gemeinsam planen

Heißwasserkühlung kann den zusätzlichen Energiebedarf eines HPC-Rechenzentrums reduzieren und eine sinnvolle Abwärmenutzung erleichtern. Wie groß der Nutzen ausfällt, entscheidet jedoch das konkrete Gesamtsystem. Eine überzeugende Lösung verbindet passende IT mit standortgerechter Kühltechnik und einem überprüfbaren Betriebskonzept.

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