Immersionskühlung
Bei Immersionskühlung handelt es sich um ein Kühlverfahren für Hardware wie zum Beispiel Server oder auch für Batteriezellen, bei dem die Komponenten in eine elektrisch nicht leitende Flüssigkeit getaucht werden, welche die Wärme direkt abführt. Immersionskühlung kann deutlich effizienter sein als die klassische Kühlung per Lüfter oder Wasserkühlung und stellt deshalb ein wichtiges Werkzeug auf dem Weg zur Green IT dar.
In Zeiten immer leistungsfähigerer Hardware, hauptsächlich bedingt durch neue Anwendungsgebiete wie Generativer KI, kommt der effektiven und effizienten Kühlung der Systeme und einem durchdachten Wärmemanagement eine wachsende Bedeutung zu. Die Kühlung der Hardware in Rechenzentren macht einen großen Teil des gesamten Energieverbrauchs aus, der im Mittel bei über 20 Prozent liegt. Entsprechend groß ist das Einsparpotential.
Im Gegensatz zur klassischen Luftkühlung mit Lüftern arbeitet die Immersionskühlung (Tauchkühlung), als Kühlmethode durch direkte Ableitung der Wärme an ein flüssiges Kühlmittel. Die Hardwarekomponenten werden dazu direkt in die Flüssigkeit eingetaucht. Diese muss daher eine extrem niedrige elektrische Leitfähigkeit bei gleichzeitig starker Wärmeleitfähigkeit besitzen. Wäre die Flüssigkeit elektrisch leitfähig, könnte das Eintauchen zu Fehlfunktionen bis hin zum Kurzschluss führen.
Geeignete Flüssigkeiten für die Immersionskühlung sind zum Beispiel
- Deionisiertes Wasser
- Mineralöl
- Flüssigkeiten auf Fluor-Carbon-Basis
- Synthetische Flüssigkeiten
Es wurden sogar schon nicht speziell für die Immersionskühlung entwickelte Öle wie Motoröl, Silikonöl oder Lebensmittelöl erfolgreich zur Kühlung von Hardware getestet.
Klassische Anwendungsmöglichkeiten von Immersionskühlung
Nicht nur in Rechenzentren und zum Kühlen von Servern kommt die Immersionskühlung zum Einsatz. Weitere Anwendungsfälle sind:
- Batteriekühlung (Battery Immersion Cooling)
- High Performance Computing (HPC)
- KI-Anwendungen
- Fahrzeugbau (Elektrofahrzeuge)
- Öffentlicher Personennahverkehr (Kühlung von Akkus bzw. Batterien)
Wie unterscheidet sich Immersionskühlung von der klassischen Wasserkühlung?
Bei der klassischen Wasserkühlung fließt das Kühlmedium, also das Wasser, in einem isolierten und von der Hardware getrennten Kreislauf, um einen direkten Kontakt mit der empfindlichen Hardware zu vermeiden. In einem Wärmetauscher erfolgt die Übertragung der Wärme von den einzelnen Hardwarekomponenten wie zum Beispiel der CPU an das Wasser.
Bei der Immersionskühlung wird die Hardware dagegen direkt in die Flüssigkeit getaucht und steht in unmittelbarer Verbindung mit ihr.
Welche Varianten von Immersionskühlung gibt es?
Es werden zwei unterschiedliche Varianten und Methoden der Immersionskühlung unterschieden, für die unterschiedliche Arten von Flüssigkeiten benötigt werden:
- Einphasige Immersionskühlung (Single-Phase Immersion Cooling)
- Zweiphasige Immersionskühlung (Two-Phase Immersion Cooling)
Einphasige Immersionskühlung (Single-Phase Immersion Cooling)
Bei dieser Variante der Immersionskühlung verändert die Kühlflüssigkeit ihren Aggregatzustand nicht. Es kommt weder zum Sieden, noch zum Verdampfen oder zum Gefrieren der Flüssigkeit. Die Flüssigkeit wird in einen Wärmetauscher geleitet, wo die Wärme dann von einem separaten Kühlwasserkreislauf aufgenommen wird.
Zweiphasige Immersionskühlung (Two-Phase Immersion Cooling)
Bei der zweiphasigen Immersionskühlung kann die Kühlflüssigkeit verschiedene Aggregatzustände annehmen. Dabei wird das Prinzip der latenten Wärme angewandt. Die Kühlflüssigkeit wird durch die sich erhitzende Hardware zum Kochen und zum Verdampfen gebracht. Das Gas steigt dann auf und kondensiert an der Decke des Behälters. Die kondensierte Flüssigkeit tropft dann zurück in den Flüssigkeitspool.
Im Gegensatz zur einphasigen Immersionskühlung sind zweiphasige Systeme deutlich aufwändiger und meist auch teurer. Das liegt auch daran, dass ein System zur zweiphasigen Immersionskühlung absolut dicht sein muss.
Vorteile der Immersionskühlung
Im Vergleich zu einer klassischen Luftkühlung lässt sich durch eine Immersionskühlung eine Energieeinsparung von 30 bis über 40 Prozent erreichen. Gleichzeitig lässt sich per Immersion Cooling eine Überhitzung der Hardware effektiver vermeiden, was zu einer längeren Lebensdauer der Komponenten und damit zu mehr Nachhaltigkeit führt. Damit stellt Immersionskühlung einen wichtigen Baustein auf dem Weg zur Green IT dar.
Zudem kann auf die Installation aufwändiger Klima- und Lüftungsanlagen verzichtet werden. Das reduziert Kosten sowohl für die Einrichtung als auch im Betrieb.
Mögliche Probleme der Immersionskühlung
Ein Kritikpunkt an Immersionskühlsystemen sind die Eintauchflüssigkeiten, die bei Freisetzung umweltschädigend sein können. Flüssigkeiten auf Fluor-Carbon-Basis können unter Umständen klimaschädigende Wirkung haben. Daher ist es wichtig, die Systeme regelmäßig zu warten und den Austritt auch kleiner Mengen der Flüssigkeit zu vermeiden.
Eine weitere Herausforderung sind die Garantiebedingungen mancher Hardwarehersteller. Obwohl viele Systeme in Tauchumgebungen getestet wurden, erlischt beim Einsatz von Immersionskühlung in vielen Fällen die Garantie.
Eine Alternative kann dabei Third Party Maintenance sein, also die Wartung der Systeme durch Drittanbieter wie Hardwarewartung.com.
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