Intelligente Abwärmenutzung im Rechenzentrum — das Zukunfsmodell für emissionsfreie Rechenzentren

Hannover, Deutschland, Rüschlikon, Schweiz, 3. März 2008 — Auf der CeBIT 2008 in Hannover stellen Wissenschaftler aus dem IBM (NYSE: IBM) Forschungslabor Zürich erstmals ein zukunftsweisendes Modell eines emissionsfreien Rechenzentrums durch direkte Abwärmenutzung vor. Der erste Prototyp arbeitet nicht nur extrem energieeffizient — sondern verwendet bereits drei Viertel der für den Betrieb der Rechner gebrauchten Energie direkt für die Zweitnutzung, etwa zum Heizen von Gebäuden. Dies ist umweltfreundlich, senkt die Betriebskosten und reduziert in der Gesamtbilanz den Schadstoffausstoß. Die Basis für diese Innovation legt ein neuartiges leistungsstarkes Wasserkühlsystem, das direkt auf dem Chip integriert wird.

Herausforderungen in der IT-Branche
Energie ist ein unabdingbares, aber zunehmend kostbares Gut, das gleichzeitig die IT-Branche vor Herausforderungen stellt: Nach den Analysten der Gartner Group ist die Informations- und Kommunikations-Branche für rund zwei Prozent des weltweiten Kohlendioxid-Ausstoßes verantwortlich, genauso viel wie der globale Flugverkehr. Die Lawrence Berkeley National Laboratories in den USA bestätigen, dass der weltweite Energieverbrauch durch Rechenzentren bei über 120 Milliarden Kilowattstunden liegt. Das entspricht der Leistung von 14 Kraftwerken der 1000-Megawatt-Klasse. Mit dieser Energie werden rund um den Globus Rechenzentren betrieben, die das Rückgrat unserer Dienstleistungsgesellschaft bilden.

Und der Energiebedarf von Rechenzentren steigt. Bereits heute geben Unternehmen zwischen 25% und 50% ihres gesamten IT-Budgets für den Betrieb von Rechenzentren aus. Rechenzentren haben sich im Grunde genommen zu überdimensionalen elektrischen Heizungen entwickelt. Bis heute können sie aber als direkter Wärmelieferant nicht genutzt werden und ihre Abwärme „verpufft“ in die Umgebung, das heißt ein riesiges Einsparpotenzial liegt brach.

Technologische Lösung aus dem IBM Forschungslabor Zürich
Das wollen Wissenschaftler vom IBM Forschungslabor in Zürich nun ändern. Auf der CeBIT 2008 in Hannover stellen sie erstmals ein zukunftsweisendes Modell für ein emissionsfreies Rechenzentrum durch direkte Abwärmenutzung vor. Die Forscher setzen dabei auf einen innovativen Energie- und Kühlkreislauf. Die Basis dafür bildet ein neuartiges Wasserkühlsystem, das dort ansetzt, wo Kühlung am meisten gebraucht wird und am meisten Wärme entsteht — direkt auf dem Chip.

Ziel des Modells vom emissionsfreien Rechenzentrum ist es, direkt die vom Chip abgeführte Wärme für eine Zweitnutzung zu verwenden. Dies kann das Heizen von Gebäuden, Schwimmbädern oder einfach die Abgabe der Wärme in bestehende Fernwärmenetze sein. Die wichtigste Voraussetzung für die direkte Wärmenutzung ist jedoch die Temperatur der Abwärme, die oberhalb einer bestimmten Schwellentemperatur liegen muss. Für moderne Fernwärmenetze beträgt sie etwa 50°C. Um dies zu erreichen, setzen die Forscher Wasser ein, das Wärme 4000-mal besser abführen kann als Luft. Bereits dies bietet enormes Energiespar-Potenzial. Durch die Integration der Wasserkühlung auf dem Chip kann dieser nochmals um Größenordnungen effizienter gekühlt werden.

Das nutzen die Forscher in ihrem ausgeklügelten Kühlkreislauf aus: Durch den leistungsfähigen Kühler können sie den Chip mit heißem Wasser (45°C) auf die gängige Betriebstemperatur (85°C) kühlen. Dabei erhitzt sich das Kühlwasser auf über 50°C und kann so direkt für den Wärmetransport an Zweitnutzer verwendet werden. Das gesamte Kühlsystem stellt einen geschlossenen Kreislauf dar, in dem sich das Kühlwasser beständig durch den Chip erhitzt und durch die Abgabe der Wärme an Zweitnutzer wieder auf die erforderliche Kühltemperatur abkühlt. Das macht den Einsatz von energieintensiven Kältemaschinen überflüssig und reduziert den Energiebedarf des Rechenzentrums ebenfalls substantiell. Der erste Prototyp des emissionsfreien Rechenzentrums, den die IBM Forscher in einem vereinfachten Modell auf der CeBIT zeigen, verwendet bereits drei Viertel der für den Betrieb der Rechner benötigten elektrischen Energie wieder, beispielsweise zum Heizen von Gebäuden. Ein durchschnittliches Rechenzentrum, das heute einen Energieverbrauch von 1 Megawatt hat, könnte so 40% der Energie einsparen und mit der Abwärme etwa 70 Einfamilienhäuser heizen.

Chips: immer leistungsfähiger, immer wärmer
Die Nachfrage nach leistungsfähigerer Kühlung fußt in dem explosionsartigen Anstieg der Wärmeentwicklung mit jeder neuen Generation von Computer-Chips. Theoretisch würden heutige Chips im Betrieb und ohne jegliche Kühlung eine höhere Oberflächentemperatur erreichen als die Sonne (ca. 6000°C). In Realität könnte ein Prozessor daher nicht einmal den Bruchteil einer Sekunde lang ohne Kühlung überstehen. Er muss vielmehr bei einer Temperatur unterhalb von 85°C betrieben werden, und dazu braucht es heute schon eine extrem leistungsstarke Kühlung. Luftkühler stoßen hier an ihre Grenzen. In Rechenzentren, wo Tausende von Prozessoren auf kleiner Fläche operieren, wird von leistungsfähigen Kältemaschinen rund 14°C kalte Luft durch vergitterte Bodenplatten in den Raum geblasen. Zwischen 30% und 50% des gesamten Strombedarfs eines Rechenzentrums entfällt so auf die Kühlung. Darüber hinaus gibt es aus ökologischer und ökonomischer Sicht keine überzeugenden Ansätze für eine sinnvolle Abwärmenutzung.

Dies könnten die IBM Forscher mit ihrem wassergekühlten System nun ändern. Werden künftig Abgaben auf Kohlendioxid-Emissionen erhoben, könnte das Rechenzentrum so nahezu doppelt so rentabel sein wie ein luftgekühltes, inklusive der Anschaffungskosten. Das sind viel versprechende Aussichten für die Industrie – und gute Nachrichten für die Umwelt.

Über das IBM Forschungslabor Zürich
Das IBM Forschungslabor in Zürich ist der europäische Zweig der IBM-Forschung, die mit weltweit rund 3500 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern an acht Standorten die grösste industrielle IT-Forschungsorganisation darstellt. Das Zürcher Forschungslabor, das 1956 als erstes IBM Labor ausserhalb der USA gegründet wurde, hat heute rund 320 Mitarbeiter und vereint mehr als 30 verschiedene Nationalitäten. Seit seiner Gründung vor mehr als 50 Jahren hat sich das Forschungslabor durch herausragende technische Innovationen und wissenschaftliche Leistungen, darunter zwei Nobelpreise, den Ruf einer weltweit führenden Forschungsinstitution erworben. Das Spektrum der Forschungsaktivitäten reicht von der physikalischen Grundlagenforschung über die Entwicklung künftiger Generationen von Prozessoren und Computersystemen bis hin zu Supercomputing sowie Software und Services, etwa in den Bereichen Sicherheit und Datenschutz, Healthcare oder Business Optimization und Transformation.

Der CeBIT-Showcase zum emissionsfreien Rechenzentrum befindet sich auf dem IBM Messestand in Halle 2 / A10.
Interviews mit den IBM Forschern sind direkt auf der CeBIT möglich.