Immersionskühlung für Server: Definition & Funktionsweise

Bei der Immersionskühlung wird Wärme mithilfe von Flüssigstrom durch Konvektion gewonnen und über ein einphasiges oder zweiphasiges System an die Umwelt abgegeben. Bei einphasigen Immersionskühlsystemen bleibt die Kühlflüssigkeit während des gesamten Kreislaufs flüssig. Bei der zweiphasigen Form verdampft die heiße Flüssigkeit und kondensiert, bevor sie wieder zurückfließt. Mit dem Verfahren der Immersionskühlung lassen sich auch ohne Wärmepumpen deutlich höhere Abwärme Temperaturen erzielen als mit einer reinen Luftkühlung.  Nach Angaben des Rechenzentrumsportals DataCenter-Insider verbessert die Immersionskühlung zudem die Qualität der Abwärme. Bei der Flüssigkühlung von Servern erwärmt sich das Wasser auf bis zu 60 Grad Celsius, wodurch es bereits für Nahwärmenetze nutzbar ist.

Kalt- und Warmgangeinhausungen mit Komponenten von SCS FACO stellen eine moderne und zukunftssichere Alternative zur Immersionskühlung für Rechenzentren und Serverräume dar. Im Gegensatz zur Immersionskühlung, bei der die Serverkomponenten in ein flüssiges Kühlmittel getaucht werden, um die Wärme direkt abzuführen, arbeiten die Warm- und Kaltgangsysteme von SCS FACO auf serverroom-security.com mit einer energieeffizienten Luftführung, um stabile Temperaturen zu gewährleisten. Die Kaltgang-Einhausung hält die kalte Luft dort, wo sie benötigt wird und ermöglicht eine konstante Zuführung der Kaltluft zu den Servern. Die gezielte Luftführung der SCS FACO Warmgang-Einhausung sorgt dafür, dass die von den Servern erzeugte Warmluft konsequent über die Kaminelemente in eine Doppeldecke abgeführt und eine Vermischung der Luftströme verhindert wird.

Dieser Artikel gibt einen umfassenden Überblick über das Verfahren der Immersionskühlung. Darüber hinaus werden die Funktionsweise sowie die Vor- und Nachteile der Immersionskühlung detailliert erläutert und alternative Kühlsysteme für Server vorgestellt.

Was ist die Immersionskühlung für Server?

Die Immersionskühlung für Server ist eine Technologie, bei der Serverkomponenten in eine wärmeleitende dielektrische Flüssigkeit getaucht werden, um Wärme effizient abzuleiten. Immersionsgekühlte Server verbrauchen fast 50% weniger Energie als rein luftgekühlte Server. Dies zeigt eine Studie der Universität Groningen.

Bei der Immersionskühlung gibt es zwei Varianten. Bei der einphasigen Immersionskühlung ändert die Kühlflüssigkeit ihren Aggregatzustand nicht. Bei der zweiphasigen Immersionskühlung hat die Kühlflüssigkeit verschiedene Zustände. Die Flüssigkeit wird durch die sich erhitzende Hardware zum Kochen und Verdampfen gebracht.

Die klassische Anwendung der Tauchkühlung ist die Kühlung von Servern und Rechenzentren. Weitere Anwendungsfälle sind Batteriekühlung, KI-Anwendungen, Elektrofahrzeuge sowie der öffentliche Personennahverkehr. Die Kühlmethode bietet insbesondere in Bereichen, in denen hohe Rechenleistung und Energieeffizienz wichtig sind, erhebliche Vorteile.

Die Geschichte der Immersionskühlung begann im 19. und 20. Jahrhundert mit der Entdeckung der elektromagnetischen Induktion durch den Naturforscher Sir Michael Faraday und den Physiker Joseph Henry. Im Jahr 1884 wurde der erste Transformator mit geschlossenem Kern konstruiert. Drei Jahre später erfolgte der Einsatz elektrischer Systeme in dielektrischen Flüssigkeiten zur Kühlung. Ab 2009 wurden erstmals kommerzielle Immersionskühlsysteme eingeführt. 2019 wurde der erste Industriestandard für Immersionskühlsysteme präsentiert.

Die Funktionsweise der Immersionskühlung hängt von verschiedenen Komponenten ab.

Wie funktioniert die Immersionskühlung bei Servern?

Die Immersionskühlung bei Servern funktioniert durch das Eintauchen der Hardware in eine elektrisch nicht leitende Flüssigkeit, welche die Wärme direkt abführt. Der Server wird von allen Seiten gleichmäßig mit der Kühlflüssigkeit benetzt. Je nach Technologie kommen ein- oder zweiphasige Flüssigkeiten zum Einsatz.

Die Kühlflüssigkeit der Immersionskühlung wird in einem geschlossenen Kreislauf in eine Wanne geführt. Die kalte Flüssigkeit befindet sich zunächst im unteren Bereich des Beckens. Mit der Erwärmung durch die Abwärme der Elektrik steigt sie nach oben. Der Flüssigkeit wird Wärme entzogen und sie fließt in den unteren Teil des Beckens zurück. Die Abwärme wird über einen Wärmetauscher abgeführt und ist für andere Zwecke nutzbar.

Bei der Immersionskühlung werden zwei Varianten und Methoden unterschieden, die jeweils unterschiedliche Flüssigkeiten erfordern. Die Immersionskühlung lässt sich in eine einphasige und zweiphasige Methode einteilen.

1. Einphasige Immersionskühlung: Bei der einphasigen Immersionskühlung werden alle Bestandteile des Servers in eine nicht leitende, dielektrische Flüssigkeit getaucht, um die Wärme über einen Wärmetauscher abzuleiten. Das Kühlmittel bleibt in einem flüssigen Zustand und wird nicht zum Kochen gebracht. Diese Methode senkt die Temperatur von Computerkomponenten im Vergleich zur Luftkühlung erheblich.
2. Zweiphasige Immersionskühlung: Bei der zweiphasigen Immersionskühlung wird eine Flüssigkeit verwendet, die durch die Wärme der Komponenten zum Kochen gebracht wird, was zu einem Phasenwechsel von flüssig zu gasförmig führt. Der entstehende Dampf steigt auf, kondensiert an einem Kondensator und tropft zurück in die Flüssigkeit. Dieser Prozess erhöht die Effizienz der Wärmeübertragung und wird oft bei Hochleistungsanwendungen eingesetzt.

Die Immersionskühlung bietet einige Vorteile, weist jedoch auch eine Reihe von Nachteilen auf.

Vor- und Nachteile der Immersionskühlung

Vorteile der Immersionskühlung sind der geringe Energieverbrauch und die niedrigen Betriebskosten, die Einhaltung konstanter Temperaturen und die Platzersparnis im Betrieb. Nachteile der Immersionskühlung sind die komplizierte Handhabung der Flüssigkeiten, hohe Wartungszeiten und aufwändige Umbaumaßnahmen.

Was sind Vorteile der Immersionskühlung?

Die Vorteile der Immersionskühlung sind ein niedriger Energieverbrauch und sinkende Betriebskosten. Im Vergleich zur klassischen Luftkühlung lassen sich mit der Tauchkühlung bis zu 40 Prozent Energie einsparen. Weitere Vorteile sind die Einhaltung konstanter Temperaturen und die Platzersparnis im Betrieb. 

Die wichtigsten Vorteile der Immersionskühlung sind in der folgenden Liste zusammengefasst.

1. Geringer Energieverbrauch: Die Immersionskühlung spart bis zu 40 Prozent Energie im Vergleich zur klassischen Luftkühlung. Traditionelle Luftkühlsysteme in Rechenzentren erfordern eine erhebliche Menge an Energie, um Lüfter zu betreiben, die die warme Luft abführen. Bei der Immersionskühlung sind Lüfter überflüssig, da die Wärme direkt durch die Flüssigkeit abgeleitet wird.
2. Geringere Kosten: Immersionskühlung ist kostengünstig, da keine Ventilatoren benötigt werden, um die Wärme zu regulieren. Konventionelle Kühltechniken benötigen viel Platz und tragen zu höheren Gesamtbetriebskosten bei. Die Wärmeaufnahme der dielektrischen Tauchflüssigkeit ermöglicht die Drosselung ineffizienter Klimaanlagen ohne deren Abschaltung. Der Einsatz der Tauchkühlung in einem Rechenzentrum erfordert keine zusätzliche Dachkühlung und keinen Doppelboden, wodurch Energie- und Baukosten eingespart werden.
3. Platzsparendes System: Die Immersionskühlung ist ein effizientes Kühlsystem ohne aufwändige Infrastruktur. Konventionelle Kühlmethoden erfordern eine entsprechende Anordnung und viel Raum für Infrastruktur. Immersionskühlung bietet eine hohe Kühlleistung bei geringem Platzbedarf und eignet sich besonders für IT-Komponenten mit hoher Leistungsdichte.
4. Konstante Temperatur: Die Immersionskühlung hält eine konstante und gleichmäßige Temperatur im Serverraum. Die Flüssigkeit der Kühltechnik verteilt die Wärme gleichmäßig und führt sie an die Umgebung im Raum ab, um eine Überhitzung und Hotspots zu vermeiden.

Trotz der zahlreichen Vorteile der Immersionskühlung sind auch einige Nachteile und Herausforderungen bei der Implementierung dieser Technologie zu berücksichtigen.

Was sind Nachteile der Immersionskühlung?

Die Nachteile der Immersionskühlung sind die aufwendige Handhabung mit den Kühlflüssigkeiten, der hohe Wartungsaufwand und die aufwändigen Umbaumaßnahmen vor der ersten Inbetriebnahme. Vor der Reparatur oder dem Austausch ist die Flüssigkeit der Immersionskühlung vollständig abzulassen und das System zu reinigen.

Die wichtigsten Nachteile der Immersionskühlung sind in der folgenden Liste zusammengefasst.

1. Komplizierte Handhabung: Immersionskühlung erfordert ein aufwändiges Nutzungsmanagement. Die Handhabung, Lagerung und Entsorgung der Kühlflüssigkeiten ist aufwendig und zeitintensiv. Vor der Reparatur oder dem Austausch ist die Flüssigkeit vollständig abzulassen.
2. Zeitaufwendige Umbaumaßnahmen: Die Immersionskühlung ist nur durch aufwändige Umbaumaßnahmen in ein bestehendes Serverzentrum integrierbar. Der Aufbau eines Immersionskühlsystems umfasst spezielle Behälter, Flüssigkeiten und maßgeschneiderte Hardware.
3. Hohe Wartungszeit: Bei der Immersionskühlung verlängert sich die Wartungs- und Reparaturdauer, da der physische Zugriff auf den Server verzögert erfolgt. Der Server ist zunächst aus der Kühlflüssigkeit herauszunehmen und anschließend von verbleibenden Flüssigkeitsrückständen zu säubern. 

Die Kosten für die Immersionskühlung sind abhängig von verschiedenen Faktoren und müssen daher individuell berechnet werden.

Was kostet eine Immersionskühlung?

Immersionskühlung kostet rund 6 Euro pro Watt bei einer Leistungsdichte von 10 kW pro Rack Server. Die Betriebskosten sind um 9 bis 20 % niedriger als bei luftgekühlten Servern. Der geringe Energieverbrauch führt zu einer Senkung der Gesamtenergiekosten um 15 bis 25 %. Dies zeigt eine Studie der Universität Groningen.

Die Investitionskosten für die Immersionskühlung setzen sich aus den Kosten für das abgedichtete Gehäuse für die Immersionskühlung, die IT-Ausrüstung, dielektrische Flüssigkeiten, Pumpen und Schläuche zusammen. Genau wie bei luftgekühlten Systemen umfassen die Betriebskosten den Strom, das Personal, die Netzanschlussgebühren und die Unterstützung und Wartung der IT-Ausrüstung.

Die Technologie der Immersionskühlung bietet wesentliche Vorteile hinsichtlich der Kühlung, da sie eine effiziente Wärmeabfuhr ermöglicht und gleichzeitig die Energiekosten reduziert.

Laut einer im März veröffentlichten Fallstudie von LiquidStack, Chemours und der Syska Hennessy Group bietet die Zweiphasen-Immersionskühlung in den meisten Szenarien die niedrigsten 10-Jahres-Gesamtbetriebskosten für Betreiber von Rechenzentren.

Bei einem Betriebsdruck von 40 kPa zeigt die Immersionskühlung mit 10,7 Litern pro Wärmeeinheit eine hohe Produktivität und die geringsten Kosten von 0,0110 €/Liter. Systeme mit Wasserimmersion und oberflächlicher Wasserkühlung sind die effizientesten in Bezug auf Kosten und Produktivität. Dies belegt eine Studie der Universität Alexandria.

Die Rechengeschwindigkeit von Computern und Servern nimmt mit steigender Temperatur ab, was zu einem höheren Energieverbrauch unter Last führt. Server mit konventioneller Kühlung verbrauchen mit 38 % am meisten Energie.

Die Immersionskühlung ist eine effiziente und sichere Methode zur Kühlung von Servern und bietet einige Vorteile gegenüber gewöhnlichen Kühlsystemen. Je nach Anwendungsbereich und Klimabedingungen sind jedoch andere Kühlmethoden deutlich effizienter.

Alternative zur Immersionskühlung: Kaltgang- und Warmgangsysteme mit Komponenten von SCS FACO

Kalt- und Warmgangsysteme mit Komponenten von SCS FACO sind eine moderne und zukunftssichere Alternative zur Immersionskühlung. Die energieeffiziente Luftführung und die professionelle Trennung von Kalt- und Warmluft garantieren eine stabile und zuverlässige Kühlung von Serverräumen im Vergleich zur Immersionskühlung.

Kalt- und Warmgangsysteme von SCS FACO sind individuell konfigurierbar und im Vergleich zur Immersionskühlung für nahezu alle Serverschranksysteme geeignet. Kaltgangeinhausungen ermöglichen eine optimale Kaltluftzufuhr zu den Racks. Die geschlossene Bauweise hält die gekühlte Luft konstant dort, wo sie benötigt wird, ohne Rezirkulation der Luft. Die erhöhte Bauweise der Dachkonstruktion ermöglicht eine effiziente Luftverteilung für alle Server und erlaubt die Integration vorhandener Brandschutzsysteme. Das Kaltgangsystem hat ein transparentes und geschütztes CAC-Dachsystem aus Makrolon oder Exolon. Die CAC-Türen sind selbstschließend, manuell schließend, freilaufend oder synchron laufend erhältlich.

Das SCS FACO Warmgangsystem ermöglicht eine effiziente Luftführung und gewährleistet eine sichere Trennung von kalter und warmer Luft. Die gezielte Luftführung der HAC-Kaminbauweise gewährleistet eine konsequente Warmluftabfuhr nach oben in die Doppeldecke. SCS FACO Warmgang-Einhausungen verhindern die Entstehung von Hotspots und sichern die Kühlung der empfindlichen Servermodule. Die aufbauenden Kaminelemente von SCS FACO auf serverroom-security.com passen zu allen Schranksystemen und sind auch als freistehende Ganglösung für den individuellen Einsatz und einfachen Austausch von Serverschränken erhältlich. Die Wände des SCS FACO Warmgangsystems bestehen aus Stahl, Makrolon oder Exolon. HAC-Türsysteme halten die warme Luft im Inneren der Einhausung. Die Metalltüren mit Füllungen aus Sicherheitsglas oder Kunststoff sind als selbstschließende oder manuell schließende Varianten mit Freilauf oder Synchronlauf erhältlich.