Kühlung von Rechenzentren: Wie Pumpen und Armaturen künstliche Intelligenz ermöglichen

KI wird den Stromverbrauch drastisch steigern

Künstliche Intelligenz ist ein Stromfresser: Während eine Abfrage in der Suchmaschine Google 0,0003 Kilowattstunden (kWh) Strom verbraucht, benötigte eine Frage an ChatGPT-3 nach Schätzungen 0,0029 kWh – fast das Zehnfache. Die International Energy Agency (IEA) geht daher davon aus, dass der weltweite jährliche Stromverbrauch von Rechenzentren, Kryptowährungen und künstlicher Intelligenz bis zum Jahr 2026 von 460 Terawattstunden (TWh) auf 620 bis 1050 TWh steigen wird. Dies sind etwa zwei Prozent des weltweiten Stromverbrauchs. Diese Menge entspricht der eines Landes mit einer Größe zwischen der von Schweden und Deutschland.

Die Entwicklung der Energieaufnahmen von KI-Servern gibt einen Ausblick, mit welcher Geschwindigkeit der Stromverbrauch durch künstliche Intelligenz ansteigen wird. Das DGX H100-System von NVIDIA gilt zurzeit als einer der leistungsfähigsten Server für KI-Aufgaben. Es verbraucht bis zu 10,2 Kilowatt, etwa so viel wie ein professioneller Elektroherd in einer Großküche. Der Vorgänger, DGX A100, der im Januar 2024 vom Markt genommen wurde, hatte nur eine Energieaufnahme von maximal 6,5 Kilowatt. Das neueste System DGX B200, das von NVIDIA im März 2024 angekündigt wurde, wird sogar bis zu 14,3 Kilowatt verbrauchen.

In einzelnen Ländern wird der Energiebedarf von Rechenzentren daher extreme Ausmaße annehmen: In Irland beispielsweise beträgt der Anteil von Rechenzentren am Gesamtstromverbrauch des Landes schon heute 17 Prozent. Nach Schätzung der IEA wird er bis 2026 voraussichtlich auf 32 Prozent steigen – und entsprechende Herausforderungen für die Klimaziele des Landes und seine Infrastruktur mit sich bringen. Hier können Pumpen und Armaturen zu einer Lösung beitragen.

Wasser ist das effizientere Kühlmittel

Durch KI-Anwendungen wird immer mehr Leistung in den einzelnen Serverracks konzentriert, die immer mehr Hitze erzeugt, die immer effizientere Kühlung erfordert. Da Luft als Kühlmedium hier an ihre Grenzen stößt, werden neue Formen der Temperaturkontrolle notwendig. Eine Möglichkeit, um die Kühlung zu verbessern, ist, noch mehr auf Wasser zu setzen statt auf Luft. Denn dieses kann mehr als viermal so viel Energie aufnehmen wie Luft.

Je mehr ein Rechenzentrum also Flüssigkeit zur Kühlung einsetzt und je näher diese dabei den Prozessoren kommt, desto geringer ist der Energieaufwand. Durch künstliche Intelligenz rücken daher mehr und mehr Kühlmethoden in den Fokus, bei denen sich die Wärmetauscher direkt in den Serverschränken befinden (Rear-Door-Kühlung oder In-Rack-Kühlung) oder die Prozessoren gleich mit eigenen Kühlkreisläufen versehen sind – ähnlich wie Gaming-PCs (Direct Liquid Cooling oder Direct-to-Chip Cooling). Das US-Unternehmen Tesla hat beispielsweise in Texas gerade ein KI-Datenzentrum in Betrieb genommen, das 50 000 NVIDIA-Chips betreibt und in seinem endgültigen Ausbauzustand einen Stromverbrauch von 500 Megawatt haben soll. Es setzt auf Direct-to-Chip-Kühlung, die nach Angaben des Herstellers die Stromkosten für die Kühlung um 89 Prozent reduziert.

Ganzheitliche Systemoptimierung spart am meisten Energie

Betreiber von Datenzentren müssen die Wirksamkeit der Kühlung erhöhen, um die Herausforderungen durch künstliche Intelligenz zu meistern. Das erreichen sie, indem sie stärker auf Flüssigkeitskühlung setzen und diese so effizient wie möglich gestalten. Für eine hohe Effizienz der Kühlkreisläufe ist entscheidend, dass nicht nur die einzelnen Komponenten wie Wärmetauscher, Pumpen und Armaturen einen hohen Wirkungsgrad haben. Zudem müssen sie so aufeinander abgestimmt sein, dass sie effizient als System zusammenarbeiten. Genau dieser ganzheitliche Blick auf Systeme ist die Stärke von KSB.

Zahlen verdeutlichen, wie wichtig eine umfassende Optimierung des ganzen Systems ist. Zehn Prozent des Energieverbrauchs eines Kühlkreislaufs können beispielsweise durch die Installation hocheffizienter Pumpen wie der Etanorm von KSB eingespart werden. Die KSB-Ingenieure haben deren Laufrad so optimiert, dass es einen optimalen Wirkungsgrad bietet und auch bei niedrigem Druck Leistungsabfall durch Kavitation verhindert. Ihr Synchron-Reluktanzmotor erfüllt die höchste Energieeffizienz-Klassifizierung IE5 (IEC/TS 60034-30-2) und hat bis zu 20 Prozent weniger Verluste gegenüber IE4-Motoren.

Weitere zehn Prozent Energie können Frequenzumrichter zur Steuerung der Pumpenmotoren einsparen. Der PumpDrive von KSB beispielsweise schätzt den aktuellen Betriebspunkt anhand der Leistungsaufnahme des Motors und der Drehzahl. Auf diese Weise erkennt er, wenn sich der Motor in ineffizienten Bereichen wie extremer Teillast, Trockenlauf oder Überlast befindet, und passt die Drehzahl an die tatsächlichen Anforderungen an.

Mit Abstand das meiste Optimierungspotenzial eröffnet aber die Verbesserung des gesamten Systems – insgesamt bis zu 60 Prozent. Dieser Anteil an Energie kann beispielsweise eingespart werden, indem der tatsächlich erforderliche Systemdruck festgestellt wird, um Pumpen und Impeller entsprechend zu dimensionieren, oder indem Druckverluste durch Armaturen oder Flaschenhälse vermieden werden.

Die Expertise von KSB sichert die optimale Auslegung von Kühlsystemen. Die KSB-Experten sichern beispielsweise im Rahmen des Services FluidFuture® durch Messungen Einsparpotenziale, wählen passende Hocheffizienzpumpen und -komponenten aus und übernehmen auch die fachgerechte Installation und Inbetriebnahme. Das FluidFuture®-Energiesparkonzept umfasst auch den Betrieb der Anlage mit einem kontinuierlichen Monitoring.