Betrachtungen zur Kältemittelsituation

Die Digitalisierung hat Geschäftsmodelle neu geschaffen und bestehende stark verändert. Das hat zur Folge, dass immer mehr Aufgaben und somit auch Umweltlasten in die digitale Infrastruktur verlagert werden. Beispielsweise werden Bankgeschäfte überwiegend digital durchgeführt, wobei die klassischen Strukturen der Banken zwar ausgedünnt, jedoch auch weiterhin bereitgestellt werden. Die notwendige IT-Leistung für die Digitalisierung wird in Rechenzentren (RZen) zur Verfügung gestellt und die erforderlichen Daten über die Netzinfrastruktur verteilt. Die digitale Infrastruktur benötigt Energie und Rohstoffe, wobei Rechenzen­tren mit Abstand am stärksten zum Strombedarf dieser beitragen. Neue Methoden der Digitalisierung, wie z.B. Künstliche Intelligenz erhöhen sprunghaft den Energie- und Rohstoffbedarf. Auf der Jahrestagung des Weltwirtschaftsforums im schweizerischen Davos warnte der CEO von OpenAI, Sam Altman, dass die nächste Welle generativer KI-Systeme wesentlich mehr Strom verbrauchen wird als erwartet und dass die Energiesysteme Schwierigkeiten haben werden, diesen Mehrbedarf bereitzustellen.

Marktentwicklung in Deutschland

Global ist also weiterhin mit einem Wachstum der Rechenzentrumsbranche zu rechnen, aber wie gestaltet sich die Entwicklung in Deutschland? Die deutsche Wirtschaft ist derzeit in einer Rezession, die Nachfrage aus dem In- und Ausland schwächelt und die Energiepreise sind immer noch sehr hoch – bei Neuverträgen ist der Industriestrompreis, den auch Rechenzentrumsbetreiber zahlen, doppelt so hoch wie im Jahr 2020.

Trotzdem ist Deutschland als Standort für Rechenzentren nach wie vor sehr attraktiv. Das liegt zum einen am weltweit größten kommerziellen Internet-Knoten in Frankfurt am Main, zum anderen an der Möglichkeit der Kooperation durch die vollständige Anwesenheit der wichtigsten Rechenzen­trumsbetreiber und die besonderen Datenschutzbestimmungen in Deutschland. Die Investitionen internationaler Unternehmen und Investoren in den Neubau von Rechenzentren haben in den letzten Jahren dazu beigetragen, dass der Rechenzentrumsmarkt hierzulande trotz negativer Prognosen weiterhin wächst. Beispielsweise hat ein internationaler Tech-Konzern angekündigt in den nächsten zwei Jahren 3,2 Milliarden Euro in Rechenzentrumskapazitäten für KI und Cloud Computing zu investieren. Auch der Branchenverband Bitkom kommt zu dem Urteil, dass der Wachstumstrend bei Rechenzentren ungebrochen ist. Zwischen 2010 und 2022 wuchsen die Kapazitäten gemessen in IT-Anschlussleistung um über 90 %. Trotz der großen Bedeutung der Rechenzentren für die Digitalisierung und der damit verbundenen rasanten Entwicklungsdynamik gibt es bisher keine gesicherte Statistik über die Anzahl und den Energieverbrauch dieser Einrichtungen in Deutschland.

Nach Einschätzung des Borderstep Instituts befinden sich ca. 50.000 Rechenzentren und Serverräume in Deutschland, wobei der Großteil kleinere IT-Einrichtungen sind¹. Lediglich etwa 3.000 Rechenzentren verfügen über eine IT-Anschlussleistung von mehr als 40 kW, über 500 kW sind es nur noch geschätzte 300 bis 500 Rechenzentren.

Der Energiebedarf der Rechenzentren hat sich nach Berechnungen von Borderstep seit 2010 kontinuierlich von 10,4 Terawattstunden (TWh) auf 17,9 TWh (um 72 %) im Jahr 2022 erhöht. Die großen Effizienzgewinne bei der IT-Bereitstellung von über 500 % vermochten es also nicht, den energetischen Mehrbedarf für Rechenleistung zu kompensieren. Die Treibhausgasemissionen sind um 32 % (von 5,9 auf 7,8 Mio. t CO₂) gestiegen, die kältemittelbedingten Emissionen sind in dieser Bilanz jedoch nicht enthalten. Die Zunahme der CO₂-Emissionen ist geringer ausgefallen, als es der Anstieg des Energiebedarfes vermuten ließ. Grund ist im Wesentlichen der Zubau erneuerbarer Energien und die damit gesunkene Kohlenstoffintensität der Stromgestehung im gleichen Zeitraum von 571 auf 459 g CO₂/kWh. Bis zur Klimaneutralität des RZ-Bestandes ist es daher noch ein weiter Weg.

Einen Beitrag hierzu könnte das Thermomanagement in Rechenzentren leisten, wenn die Klimatisierung u.a. durch freie Kühlung sehr effizient ausgelegt und die Abwärme einer Nutzung zugeführt wird. Die Klimatisierung der Informationstechnik, die etwa 35 % des gesamten Energiebedarfes des RZ-Bestandes ausmacht, erfolgt überwiegend durch Luftkühlung. Vor allem bei großem Kühlungsbedarf kommen Flüssigkeitskühler zum Einsatz, welche die warme Abluft der Server über einen Kaltwasserkreislauf und Luft/Wasser-Wärmeübertrager abkühlen und die gekühlte Zuluft meist über einen Doppelboden zur Verfügung stellen.

Wichtig für einen effizienten Betrieb ist die Vermeidung von Zuluftkurzschlüssen und Hitzenestern durch die Trennung der Luftströme mittels Warm- bzw. Kaltgangeinhausung und der Steuerung durch Differenzdruckkontrolle – Einrichtungen, die in neuen Rechenzentren selbstverständlich sein sollten. Da sich mittlerweile die Erkenntnis durchgesetzt hat, dass 25 °C Zulufttemperatur für die Ausfallsicherheit der Server mehr als ausreichend sind, kann die Kühlung über einen Großteil des Jahres mit freier und adiabater Verdunstungskühlung erfolgen. Der Einsatz der Kältemaschine bleibt daher auf sehr warme Tage im Sommer beschränkt. Nimmt man Überschreitungen der Zulufttemperatur von wenigen Stunden über 25 °C auf maximal 32 °C an wenigen heißen Tagen im Jahr in Kauf, so lässt sich sogar gänzlich auf eine Kältemaschine verzichten. Gemäß ASHRAE-Richtlinie² ist auch bei dieser Temperatur, die jederzeit mittels adiabater Verdunstungskühlung auch bei Außentemperaturen über 40 °C eingehalten werden kann, die Ausfallsicherheit der Server gewährleistet. Aufgrund neuer gesetzlicher Effizienzanforderungen u.a. für Rechenzentren (siehe unten) wird indirekte Luftkühlung ohne Kältemaschine mit Zulufttemperaturen von 28 °C zukünftig in der RZ-Klimatisierung die Regel sein.

Kältemittel

Trotz dieses Umstandes wollen viele Rechenzentrumsbetreiber weiterhin nicht auf eine Kältemaschine verzichten oder müssen die alte Kälteanlage durch eine neue ersetzen. Damit stellt sich die Frage der Kältemittelwahl. Noch werden oft klimaschädliche teilfluorierte Kohlenwasserstoffe (HFKW) eingesetzt, jedoch ist hier ein Übergang von Kältemitteln mit sehr hohem Treibhauspotential wie etwa R-410A (GWP = 2.088) oder R-134a (GWP = 1.430) hin zu Kältemittelgemischen von HFKW mit ungesättigten HFKW (uHFKW) mit niedrigerem GWP zu beobachten – uHFKW werden seitens der Kältemittelindustrie als Hydrofluorolefine (HFO) vermarktet. Den Gemischen gemein ist, dass sie entweder die uHFKW-Stoffe R-1234yf oder R-1234ze(E) als eine wesentliche Komponente enthalten (siehe Tabelle 1). Genannt seien hier R-513A (GWP = 631, 56 % R-1234yf) und R-515B (GWP = 293, 91,1 % R-1234ze(E)). Insbesondere R-1234ze(E) wird auch als Reinstoff in Flüssigkeitskühlern mit Verdränger- und Turboverdichtern ab Kälteleistungen von etwa 200 kW eingesetzt.

Die neuen Kältemittelgemische mit GWP-Werten im mittleren dreistelligen Bereich sind zwar hinsichtlich des Klimaschutzes ein Schritt in die richtige Richtung, jedoch vor dem Hintergrund der aktuellen regulatorischen Entwicklungen lediglich als Zwischenlösungen anzusehen. Mit der novellierten F-Gas-Verordnung (Verordnung (EU) 2024/573), die seit dem 11. März 2024 in Kraft ist, wird die Verfügbarkeit der HFKW schneller und weitreichender eingeschränkt, als dies bisher der Fall war. Bis zum Jahr 2050 ist sogar ein völliger Ausstieg aus den HFKW festgelegt – das phase-down wurde damit zum phase-out (Abbildung 1).

Der Verzicht auf uHFKW hat aus Umweltsicht gute Gründe, da sich diese Stoffe in der Atmosphäre zu Trifluoressigsäure (TFA) abbauen. Aus R‑1234ze(E) bilden sich bis zu 10 % TFA, R‑1234yf wird sogar vollständig zur persistenten TFA umgesetzt, die in der Natur nicht weiter abgebaut wird. Kältemittel insgesamt sind für ca. 50 % des TFA-Eintrages in die Umwelt in Deutschland verantwortlich, Tendenz steigend. TFA reichert sich in Gewässern an und gelangt bis ins Trinkwasser, was aus zwei Gründen problematisch ist: TFA kann nur mit unverhältnismäßig großem Aufwand aus dem Trinkwasser entfernt werden und steht vor der Einstufung als reproduktionstoxischer Stoff gemäß CLP-Verordnung⁴. Der beste Weg, die TFA-Fracht in der Umwelt zu reduzieren, ist die Einträge zu vermeiden. Als Kältemittel sollten daher umweltfreundliche Ersatzstoffe gewählt werden.

Diese Empfehlung ergibt sich auch aus einem weiteren triftigen Grund: Die Nutzung von per- und polyfluorierten Alkylsubstanzen (PFAS) soll in der EU sehr weitreichend eingeschränkt werden. Am 7. Februar 2023 hat die Europäische Chemikalienagentur (ECHA) den Vorschlag für ein Verbot der Herstellung, Verwendung und des Inverkehrbringens der gesamten PFAS-Gruppe unter der REACH-Verordnung (Verordnung (EC) Nr. 1907/2006) veröffentlicht. Unter die PFAS-Definition fallen bis auf R-32 alle fluorierten Kältemittel, die in Tabelle 1 aufgeführt sind. Sie sollen in neuen Kälteanlagen verboten werden. Mit einer Entscheidung der EU-Kommission ist 2025 zu rechnen, so dass nach der Übergangsfrist von 18 Monaten das Verbot bereits im Jahr 2026 greifen könnte. Nur noch das Nachfüllen von als PFAS geltenden Kältemitteln in Bestandsanlagen wäre dann erlaubt. Die Tage für die fluorierten Kältemittel sind damit gezählt. Planungssicherheit lässt sich zuverlässig daher nur noch mit fluorfreien Kältemitteln erreichen.

Die hier skizzierten Entwicklungen müssen auch in der Rechenzentrumsklimatisierung zu einem Umdenken führen und die bewährten Alternativen zu HFKW und uHFKW in den Fokus rücken: natürliche Kältemittel. Diese sind auch zukünftig uneingeschränkt verfügbar, haben kein oder ein vernachlässigbares Treibhauspotential und gleichzeitig hervorragende thermodynamische Eigenschaften für Kälteanwendungen. Für Rechenzentren sind insbesondere Ammoniak (R-717) für den großen Kälteleistungsbereich ab ca. 500 KW Kälteleistung und Propan (R-290) für den kleinen und mittleren (5 bis 500 kW) zu nennen. Brennbarkeit (R-290) und Toxizität (R-717) der Stoffe werden im Anlagendesign der Hersteller einbezogen und sind, wie bei den brennbaren uHFKW und deren Gemischen, bei der Installation zu berücksichtigen.

Anwendungsbeispiele

Obwohl mittlerweile zahlreiche Rechenzentren mit Anlagen mit natürlichen Kältemitteln ausgestattet sind, erwähnen Errichter und Betreiber dies in ihrer externen Kommunikation meist nicht. Daher seien hier zwei Beispiele gezeigt. Mit einer 6,6 MW-Kälteanlage mit Rohrbündelwärmeübertragern, Schraubenverdichtern und dem Kältemittel Ammoniak wird das Rechenzentrum des Colocation-Anbieters STACKIT in Neckarsulm gekühlt, welches 5 MW IT Platz bietet (Abbildung 2, links). Für die Serverraumkühlung mit 2N-Redundanz sind die R290-Kaltwassersätze mit jeweils 12 kW Kälteleistung ausgelegt, die auf dem Dach eines Logistikzentrums aufgestellt sind (Abbildung 2, rechts). Jede Maschine hat eine Füllmenge von 1,5 kg R-290.

Grundsätzlich ohne Kältemaschine wird IT-Kühlung ausgelegt, wenn die Server mit Flüssigkeiten gekühlt werden. Bei diesem Verfahren kann die Wärme entweder direkt auf den wärmeabgebenden Komponenten (Prozessor, Grafikkarte) abgeführt werden, oder der gesamte Server wird mit einer dielektrischen Kühlflüssigkeit besprüht oder ganz darin versenkt. Der Rücklauf des Kühlkreislaufes, an den die Wärme mittels Wärmeübertrager abgegeben wird, weist Temperaturen von bis zu 65 °C auf, so dass ohne maschinelle Kälte die Abwärme ganzjährig über ein Rückkühlwerk abgegeben werden kann.

Abwärmenutzung

Sehr viel sinnvoller als das bloße Entsorgen der Abwärme in die Umwelt ist deren Nutzung. Dies geschieht oft nur für den Eigenbedarf, z.B. für das Vorwärmen des Diesels der Notstromanlage sowie, selten genug, für die Beheizung von im Rechenzentrum gelegenen Büros und die dortige Warmwasserbereitung. Die Einspeisung der Abwärme in ein Wärmenetz erfolgt bisher kaum, da die Anbindung an ein solches Netz oft fehlt und die Temperatur mittels Wärmepumpe erst auf das erforderliche Niveau angehoben werden muss. Eingespeist werden kann in den Vor- oder Rücklauf, was ganz von den Betriebsbedingungen des Wärmenetzes vor Ort abhängt.

Dass die Zahl der Rechenzentren, welche Ihre Abwärme in ein Wärmenetz einspeisen oder in anderer Form nutzbar machen, zukünftig deutlich zunimmt, ist erklärtes Ziel des Energieffizienzgesetzes (EnEfG). Neben anderen Regelungen ist dort festgelegt, dass Rechenzentren, die ab dem 1. Juli 2026 ihren Betrieb aufnehmen und mindestens eine nichtredundante Anschlussleistung von 300 kW haben, einen Anteil an wiederverwendeter Energie nach DIN EN 50600-4-6 (= Abwärmenutzung) von 10 % aufweisen. Bei Betriebsaufnahme ab 1. Juli 2027 und 2028 muss die wiederverwendete Energie der Rechenzentren bereits einen geplanten Anteil von 15 bzw. 20 % aufweisen. Um diese gesetzlichen Anforderungen einzuhalten, wird die Abwärmenutzung in neuen Rechenzentren ein fester Planungsbestandteil werden müssen, wo sie derzeit lediglich eine, oft vernachlässigte, Option darstellt. Außerdem muss die Energieverbrauchseffektivität (= Power Usage Effectiveness (PUE) = Energiebedarf RZ / Energiebedarf IT) gemäß DIN EN 50600-4-2 in neuen Rechenzentren 1,2 betragen. Rechenzentren, die vor dem 1. Juli 2026 den Betrieb aufgenommen haben, müssen ihre PUE ebenfalls verbessern, und zwar auf ≤ 1,5 ab 1. Juli 2027 und auf ≤ 1,3 ab 1. Juli 2030. Letztere Vorgabe bedeutet für viele ältere Rechenzentren eine große He­rausforderung oder sogar das Aus. Insgesamt wird der Rechenzentrumsbestand durch das EnEfG energieeffizienter und kommt durch die vorgeschriebene Abwärmenutzung der angestrebten Klimaneu­tralität näher.

Quellen

[1] Hintemann, R., Hinterholzer, S. & Seibel, H. (2023): Bitkom-Studie Rechenzentren in Deutschland: Aktuelle Marktentwicklungen – Update 2023. Berlin, Borderstep Institut.

[2] American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) (2015): Thermal Guidelines for Data Processing Environment, 4th Edition. Atlanta (Georgia), USA.

[3] Gemäß Anhang I, II und VI der Verordnung (EU) 2024/573

[4] Verordnung (EG) Nr. 1272/2008 über die Einstufung, Kennzeichnung und Verpackung von Stoffen und Gemischen