Moderne Kühlsysteme in Rechenzentren

Rechenzentren erzeugen erhebliche Mengen an Abwärme, die zuverlässig abgeführt werden muss, um die Hardware vor Überhitzung und Bränden zu schützen. Eine leistungsfähige Kühlung ist zudem unerlässlich, um Ausfälle und Datenverluste durch Hitze zu vermeiden. Doch mit steigender Serverdichte stoßen herkömmliche Luftkühlungssysteme immer häufiger an ihre Grenzen.

Im Jahr 2022 verbrauchten deutsche Rechenzentren rund 17 TWh Strom (rund 3,5 % des Gesamtstromverbrauchs), wobei der größte Teil dieser Energie als Abwärme freigesetzt wird und abgeführt werden muss. (Quelle: Bitkom-Studie „Rechenzen­tren in Deutschland – Aktuelle Marktentwicklungen – Update 2023). Angesichts dieses großen Energiehungers suchen Rechenzentrumsbetreiber permanent nach neuen Lösungen, um die Energieeffizienz zu steigern und den Stromverbrauch zu senken.

Regularien für Rechenzentrums­betreiber

Rechenzentrumsbetreiber in Deutschland unterliegen einer Vielzahl gesetzlicher Vorgaben. Zu den zentralen Regelwerken zählen:

Klimaschutzgesetz (KSG) (2019, Nov. 2024)

Wärmeplanungsgesetz (WPG) (2024)

Gebäudeenergiegesetz (GEG) (2020, Nov. 2024)

Energieeffizienzgesetz (EnEfG) (2023)

Diese setzen unter anderem folgende europäische Vorgaben in nationales Recht um:

Verordnung (EU) 2018/842 „Zur Festlegung verbindlicher nationaler Jahresziele für die Reduzierung der Treibhausgasemissionen im Zeitraum 2021 bis 2030 als Beitrag zu Klimaschutzmaßnahmen zwecks Erfüllung der Verpflichtungen aus dem Übereinkommen von Paris sowie zur Änderung der Verordnung (EU) Nr. 525/2013“ (2018, zuletzt geändert 2023)

Energy Efficiency Directive (EU) 2023/1791 – Diese Richtlinie hat die alte Richtlinie 2012/27/EU zum 12. Oktober 2025 vollständig aufgehoben.

Die Richtlinie 2024/1275 über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden vom 24. April 2024 ist die Neufassung der ursprünglichen EPBD (Energy Performance of Buildings Directive) von 2002 (2002/91/EG).

Das Klimaschutzgesetz wurde zuletzt im Juli 2024 novelliert. Die Reform verschärft die Klimavorgaben und schreibt das Ziel der Treibhausgasneutralität bis 2045 verbindlich fest. Bis 2030 sollen die Emissionen gegenüber 1990 um 65 % sinken. Der Fokus liegt darauf, den Treibhausgasausstoß besonders dort zu reduzieren, wo die größten Einsparpotenziale bestehen.

Das Wärmeplanungsgesetz (WPG) bildet zusammen mit dem Gebäudeenergiegesetz (GEG) den rechtlichen Rahmen für eine klimaneutrale Wärmeversorgung sowie die Dekarbonisierung von Gebäuden und Wärmenetzen. Diese gesetzlichen Vorgaben führen dazu, dass Betreiber von Rechenzentren verstärkt in effizientere und nachhaltigere Kühlsysteme investieren müssen.

Anforderungen des Energie­effizienzgesetz

Das Energieeffizienzgesetz (EnEfG) bildet einen sektorübergreifenden Rahmen für das Energiesparen in Deutschland. Ziel des Gesetzes ist es, die Energieeffizienz kontinuierlich zu steigern, den Primär- und Endenergieverbrauch zu senken, den Import fossiler Energieträger zu reduzieren und die Versorgungssicherheit zu stärken. Es setzt zentrale Vorgaben der EU-Energieeffizienzrichtlinie (EED) um, um nationale und europäische Energie- und Klimaschutzziele zu erreichen. Es stellt insbesondere für Betreiber von Rechenzentren weitreichende Anforderungen:

Das EnEfG verpflichtet in Deutschland alle Rechenzentren ab 300 kW Anschlussleistung – sowohl Neubauten als auch Bestandsanlagen – dazu, ihren Strombezug bilanziell bereits seit 2024 zu mindestens 50 % und ab 2027 zu 100 % aus erneuerbaren Energien zu decken. Unterschiede zwischen Neubauten und Bestand gibt es lediglich bei den Anforderungen zu PUE-Werten und Abwärmenutzung.

Die Energieeffizienz der Infrastruktur wird anhand des PUE-Werts (Power Usage Effectiveness) gemessen. Für neu errichtete Rechenzentren, die noch vor Juli 2026 in Betrieb gehen, ist ab dem 1. Juli 2027 ein maximaler PUE von 1,5 und ab dem 1. Juli 2030 ein PUE von 1,3 im Jahresdurchschnitt einzuhalten.

Rechenzentren, die ab dem 1. Juli 2026 in Betrieb genommen werden, müssen spätestens zwei Jahre nach Inbetriebnahme einen PUE von ≤ 1,2 im Jahresdurchschnitt erreichen.

Ein zentrales Element des EnEfG ist die verpflichtende Abwärmenutzung: Für neu errichtete Rechenzentren gelten gestaffelte Mindestanteile an wiederverwendeter Energie von 10 %, 15 % bzw. 20 % in Abhängigkeit vom Inbetriebnahmedatum.

Rechenzentrumsbetreiber sind verpflichtet, ein Energie- oder Umweltmanagementsystem (EMS/UMS) nach DIN EN ISO 50001 „Energiemanagementsysteme“ (2024) oder dem von der EU entwickelten freiwilligen Umweltmanagementsystem für Unternehmen und Organisationen EMAS (Eco-Management and Audit Scheme) zu implementieren, sofern der durchschnittliche jährliche Endenergieverbrauch 7,5 GWh überschreitet. Ab einer bestimmten Größe ist eine Validierung oder Zertifizierung des Systems erforderlich.

Zusätzlich bestehen umfangreiche Informationspflichten. Betreiber müssen beispielsweise jährlich relevante Daten an das Energieeffizienzregister für Rechenzentren übermitteln.

Kühlsysteme, die den Anforderungen gewachsen sind

Effiziente Kühlsysteme sind ein Schlüsselfaktor, um die im EnEfG vorgeschriebenen PUE-Grenzwerte einzuhalten. Sie leisten einen wesentlichen Beitrag zur Senkung des Energieverbrauchs und zur Verringerung des CO₂-Fußabdrucks von Rechenzentren und unterstützen damit aktiv die Erreichung von Nachhaltigkeitszielen. Innovative Lösungen zur Nutzung von Abwärme, wie sie das EnEfG fordert, machen es möglich, die bislang ungenutzte Abwärme von Rechenzentren als wertvolle Energiequelle zu erschließen – etwa zur Beheizung von Gebäuden oder zur Einspeisung in Fernwärmenetze (indirekt als Wärmequelle für Wärmepumpen). Auch die gesetzlich vorgeschriebene Versorgung mit Strom aus erneuerbaren Energien trägt maßgeblich dazu bei, die Umweltauswirkungen von Rechenzentren weiter zu reduzieren und den Transformationsprozess hin zu einer klimafreundlichen IT-Infrastruktur zu beschleunigen.

Fünf Ansätze für die Kühlung von Rechenzentren

Für die Kühlung von Rechenzentren gibt es verschiedene Ansätze, die jeweils spezifische Vorteile und Einsatzbereiche bieten:

Luftkühlung: klassischste und am weitesten verbreitete Methode in Rechenzentren. Bei diesem Verfahren wird die von den Servern erzeugte Wärme über die Umgebungsluft abgeführt: Kalte Zuluft wird gezielt zu den Servereinlässen geführt, nimmt dort die Abwärme der IT-Komponenten auf und wird anschließend als erwärmte Abluft abgeführt und über Klimageräte wieder abgekühlt. Typisch sind Konzepte wie Kalt- und Warmgangeinhausungen, um die Vermischung von kalter und warmer Luft zu minimieren und die Kühlwirkung zu optimieren. Mit zunehmender Serverdichte stößt Luftkühlung jedoch an ihre physikalischen Grenzen, da Hotspots nur schwer oder gar nicht erkennbar sind.

Wasserkühlung: Wasser besitzt eine bis zu 24-fach höhere Wärmeleitfähigkeit als Luft und ermöglicht dadurch eine deutlich effizientere Kühlung. Direkte Wasserkühlsysteme kommen vor allem bei Hochleistungsrechnern und in besonders leistungsintensiven Umgebungen zum Einsatz. Von Nachteil ist jedoch die Nähe des Wassers zu empfindlichen elektronischen Komponenten, was ein erhöhtes Risiko birgt. Für Anwendungen dieser Art werden CDU-Einheiten eingesetzt.

Kühlung mittels Außenluft: Diese Methode nutzt Wärmeübertrager, um kühle Außenluft zur Kühlung des Rechenzentrums zu verwenden. Nach ASHRAE-Richtlinien arbeiten Rechenzentren typischerweise mit Zulufttemperaturen von 18 bis 27 °C. Direkte Außenluftkühlung oder freie Kühlung ist vor allem bei Außentemperaturen unter 18 bis 20 °C effizient, während darüber meist ein Mischbetrieb erforderlich ist; indirekte Systeme mit Wärmeübertragern erweitern den nutzbaren Temperaturbereich deutlich. Sie eignet sich besonders für Standorte in kälteren Klimazonen.

Um die kontinuierlich anfallende Serverabwärme effizient zu nutzen, setzen viele Rechenzentrumsbetreiber auf Wärmepumpen. Diese nehmen die Abwärme als Wärmequelle auf, heben deren Temperaturniveau an und leiten sie über Wärmeübertrager an Heizsysteme oder Warmwasserbereitungen weiter. Die daraus gewonnene Wärme kann zur Beheizung von Gebäuden oder zur Warmwasserbereitung genutzt werden. Dies entspricht den Vorgaben des EnEfG zur verpflichtenden Abwärmenutzung.

Klimageräte für Rechenzentren (CRAC/CRAH): Diese spezialisierten Klimageräte sorgen für eine präzise Luftbehandlung im Rechenzentrum. Warme Serverabluft wird angesaugt, abgekühlt, entfeuchtet und als konditionierte Zuluft gezielt wieder in den IT-Bereich eingebracht. CRAC-Geräte (Computer Room Air Conditioner) arbeiten mit Direktverdampfung über einen integrierten Kältekreislauf, während CRAH-Geräte (Computer Room Air Handler) die Wärme über einen Kaltwasser-Wärmeübertrager an ein zentrales Kältesystem abgeben.

Wer nicht gleich das gesamte Kühlsystem austauschen möchte, kann mit gezielten Maßnahmen Verbesserungen erzielen – etwa durch den Einsatz von Kältemitteln mit geringerem Global Warming Potential (GWP). Ein Umstieg auf Low-GWP-Kältemittel erfolgt bei Bestandsanlagen meist nicht durch reinen Kältemittelwechsel, sondern über den Austausch der Kälteerzeugung (z. B. Kaltwassersätze/Chiller). Die bestehende Kälteverteilung – also Verteilnetze und Geräte – kann, vorausgesetzt passende Temperaturlevel und Hydraulik, weiterhin genutzt werden. Die Wahl des optimalen Kühlsystems hängt stets von den individuellen Standortbedingungen ab, wie der Außentemperatur und der Anlagengröße. Unabhängig von der gewählten Lösung sollte jedes Kühlsystem skalierbar sein, um auch zukünftigen Anforderungen flexibel und effizient begegnen zu können.