75 % weniger Energie: Zeolith-Speicher könnten Rechenzentren kühlen
Zeolith-Speicher könnten Rechenzentren mit Industrie-Abwärme kühlen und den Strombedarf drastisch senken. Eine Studie zeigt Einsparpotenzial.
Rechenzentren verbrauchen viel Strom für Kühlung. Forschende schlagen Zeolith-Speicher vor, die industrielle Abwärme nutzen.
Foto: Smarterpix / scanrail
Eine Studie der NYU Tandon School of Engineering untersucht ein alternatives Kühlsystem für Rechenzentren. Dabei speichern Zeolith-Mineralien industrielle Abwärme und geben sie später als Kühlleistung wieder ab. Modellrechnungen zeigen mögliche Stromeinsparungen von über 75 % im Gesamtsystem. Das Konzept befindet sich jedoch noch in der Entwicklungsphase und erfordert neue Logistik- und Infrastrukturmodelle.
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Der Hintergrund
Rechenzentren gehören zu den unsichtbaren Infrastrukturen der digitalen Welt. In ihnen laufen Cloud-Dienste, Streamingplattformen und Trainingssysteme für künstliche Intelligenz. Doch der Betrieb hat einen Preis. Die Gebäude verbrauchen enorme Mengen Strom – und ein überraschend großer Anteil davon fließt nicht in die Server selbst, sondern in die Kühlung.
Millionen dicht gepackter Prozessoren erzeugen große Wärmemengen. Diese müssen permanent abgeführt werden, sonst sinkt die Leistungsfähigkeit oder Hardware fällt aus. Klassische Kühlsysteme arbeiten deshalb mit energieintensiven Kompressionskältemaschinen.
Mit dem Boom von KI-Anwendungen wächst auch die Zahl der Rechenzentren. Damit steigt der Druck auf Stromnetze. Forschende der NYU Tandon School of Engineering untersuchen nun eine Alternative: Kühlung mithilfe von industrieller Abwärme und sogenannten Zeolith-Speichern.
„Der Strombedarf von Rechenzentren macht zwar noch immer nur einen kleinen Teil des gesamten US-Strommarktes aus, wächst aber rapide“, sagt Dharik Mallapragada, Assistenzprofessor für Chemische und Biomolekulare Technik und Hauptautor der Studie. „Dies ist eine Gelegenheit, die Kurve zu knicken und eine viel nachhaltigere Zukunft anzustreben, die für alle Beteiligten von Vorteil ist.“
Thermische Batterien aus Mineralien
Im Zentrum der Idee stehen Zeolithe. Dabei handelt es sich um natürliche oder synthetische Mineralien mit einer sehr porösen Struktur. Ihre winzigen Hohlräume können Wasserdampf aufnehmen.
Diese Eigenschaft lässt sich für Energiespeicherung nutzen. Trifft trockener Zeolith auf Wasserdampf, bindet er die Moleküle an seiner Oberfläche. Dabei entsteht Wärme. Wird das Material dagegen erhitzt, gibt es das Wasser wieder ab. Der Kreislauf beginnt erneut.
„Zeolith und seine Wechselwirkung mit Wasser können zur Speicherung von Wärmeenergie genutzt werden“, erklärt Pavel Kots, Mitautor der Studie und Experte für Zeolithmaterialien.
In der Praxis funktioniert das Konzept ähnlich wie eine Batterie – allerdings für Wärme. Eine Industrieanlage, etwa eine Raffinerie oder Chemiefabrik, nutzt ihre Abwärme, um den Zeolith zu trocknen. Temperaturen unter etwa 200 °C reichen dafür aus. Das Material ist danach „geladen“. Der geladene Zeolith könnte anschließend per Bahn oder Lkw zu einem Rechenzentrum transportiert werden.
Kühlung durch Verdunstung
Im Rechenzentrum läuft der Prozess umgekehrt. Warme Luft aus den Serverräumen bringt Wasser zum Verdampfen. Dieser Verdunstungsvorgang entzieht der Umgebung Wärme – ein bekannter physikalischer Effekt.
Der Wasserdampf wird anschließend vom trockenen Zeolith aufgenommen. Das Material wirkt dabei wie ein Kühlkörper. Gleichzeitig ersetzt dieser Prozess stromintensive Kompressionskälteanlagen.
Ein Vorteil liegt in der Speicherung. Anders als bei klassischen Wärmespeichern bleibt die Energie im Zeolith stabil gebunden. Sie geht nicht langsam verloren. Erst wenn Wasser zugeführt wird, setzt die Reaktion ein. Dadurch lassen sich thermische Energiemengen auch über längere Zeit und über größere Entfernungen transportieren.
Modellrechnung zeigt große Einsparungen
Das Forschungsteam analysierte den Ansatz mithilfe thermodynamischer Modelle. Verglichen wurde ein konventionelles System – Rechenzentrum mit Kompressionskühlung und Industrieanlage mit Kühlturm – mit dem vorgeschlagenen Zeolith-Konzept.
Die Simulationen zeigen deutliche Unterschiede. Unter verschiedenen Betriebsbedingungen könnte der kombinierte Strombedarf von Industrieanlage und Rechenzentrum um mehr als 75 % sinken. Für das Rechenzentrum allein würde der Energiebedarf für Kühlung sogar um bis zu 86 % fallen.
Auch die Energieeffizienz der Anlage verbessert sich laut Modell um rund 12 %. In der Rechenzentrumsbranche ist das eine relevante Kennzahl, weil Betreiber ihre Infrastruktur stark nach Effizienzindikatoren optimieren.
Mehr Wasserverbrauch – aber nicht überall
Beim Wasserverbrauch ergibt sich ein differenziertes Bild. Insgesamt steigt der Bedarf um etwa 15 bis 25 %, da Verdunstung eine zentrale Rolle im Kühlprozess spielt.
Gleichzeitig sinkt der Wasserverbrauch der Industrieanlage deutlich. Statt Abwärme über Kühltürme abzuführen, wird sie zum Laden der thermischen Speicher genutzt. Zudem kann das beim Trocknen entstehende Kondenswasser wiederverwendet werden.
Die Studie weist darauf hin, dass indirekte Effekte nicht vollständig berücksichtigt wurden. Wenn weniger Strom benötigt wird, sinkt auch der Wasserverbrauch in Kraftwerken. Je nach Strommix könnte das den zusätzlichen Bedarf teilweise ausgleichen.
Rechenzentren müssen in Reichweite liegen
Damit das Konzept funktioniert, müssen Rechenzentren relativ nahe an Industrieanlagen liegen. Das Team untersuchte deshalb die räumliche Verteilung von Anlagen in den USA.
Das Ergebnis: Die durchschnittliche Entfernung zwischen einem Rechenzentrum und den zehn nächstgelegenen Industriestandorten liegt bei rund 57 km. Das ist eine Distanz, die sich grundsätzlich mit Lkw oder Bahn überbrücken lässt.
Selbst wenn man den Energiebedarf für den Transport großer Zeolithmengen berücksichtigt – etwa mit elektrischen Lastwagen – bleiben laut Modell oft noch Netto-Stromeinsparungen von über 40 %.
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