Rechenzentren im KI-Zeitalter: Stromversorgung und Kühlung müssen integriert geplant werden

(24.3.2026) Die Anforderungen an Rechenzentren verändern sich im Zuge von Künstlicher Intelligenz und High-Performance-Computing deutlich. Während früher Leistungsdichten von 5 bis 10 kW pro Rack üblich waren, erreichen aktuelle KI-Cluster Werte von 100 kW und mehr. Parallel steigt der Energiebedarf: Weltweit könnte sich der Stromverbrauch von Rechenzentren bis 2030 auf rund 945 TWh verdoppeln. Diese Entwicklung führt zu einer erheblichen thermischen Belastung. Unter Hochleistungsbedingungen wird es zunehmend problematisch, Stromversorgung und Kühlung getrennt zu planen

Die Frequenzumrichter ACH580 von ABB sind speziell für die zuverlässige Klimaregelung, unter anderem in Datencentern, und den benutzerfreundlichen Betrieb entwickelt worden. (Bild: ABB) 

Thermische Wechselwirkungen im Betrieb

Die elektrische Infrastruktur bestimmt maßgeblich die entstehende Abwärme. Wird die Kühltechnik nicht exakt darauf abgestimmt, können physikalische Wechselwirkungen entstehen. Steigende Temperaturen führen zu höherem Kühlbedarf, was wiederum den Energieverbrauch erhöht. Dieser Effekt wirkt sich sowohl auf die Betriebskosten als auch auf die Systemstabilität aus. Analysen zeigen, dass Störungen in Stromversorgung und Kühlung zu den häufigsten Ursachen für Ausfälle zählen. Eine koordinierte Steuerung beider Systeme wird daher erforderlich. Moderne Lösungen passen beispielsweise Pumpendrehzahlen oder Serverlasten in Echtzeit an.

Effizienzpotenziale durch Gleichstromarchitekturen

Ein Ansatz zur Effizienzsteigerung liegt in der Nutzung von Gleichstromsystemen (DC) mit höheren Spannungen. Diese reduzieren Wandlungsverluste und steigern die End-to-End-Effizienz der Stromversorgung von etwa 78 % bei Wechselstromsystemen auf über 94 %. Durch die geringere Verlustwärme wird gleichzeitig die Kühllast reduziert.

Flüssigkeitskühlung bei hohen Leistungsdichten

Bei steigenden Leistungsdichten stoßen klassische luftbasierte Kühlsysteme an ihre Grenzen. Flüssigkeitsbasierte Systeme wie Cold Plates oder Liquid Loops ermöglichen eine direkte Wärmeabfuhr an den Komponenten. Zentrale Elemente sind sogenannte Coolant Distribution Units (CDUs). In diesen Systemen steuern Frequenzumrichter und Motoren die Pumpen und passen Durchflussraten sowie Druckverhältnisse kontinuierlich an die thermische Last an. Durch bedarfsgeregelten Betrieb lassen sich Energieeinsparungen im Teillastbereich im zweistelligen Prozentbereich erreichen. Ergänzend können softwarebasierte Optimierungslösungen den Energiebedarf der Kühlinfrastruktur um bis zu 30 % reduzieren, indem Betriebsparameter dynamisch angepasst werden.

Digitale Integration der Infrastruktur

Eine ganzheitliche Systemintegration erfordert die Vernetzung elektrischer und thermischer Komponenten. Intelligente Schaltanlagen erfassen Betriebsdaten kontinuierlich und stellen diese über standardisierte Protokolle wie IEC 61850 zur Verfügung. Diese Daten werden in übergeordnete Systeme wie Data Center Infrastructure Management (DCIM) integriert und mit der Gebäudeautomation verknüpft. Ergänzend ermöglichen digitale Dienste wie Fernüberwachung ein durchgängiges Lebenszyklusmanagement.

Netzqualität und Betriebssicherheit

Zur Stabilisierung der elektrischen Infrastruktur kommen unter anderem Antriebssysteme mit reduziertem Oberschwingungsgehalt zum Einsatz. Diese können die harmonische Verzerrung im Netz von etwa 40 % auf unter 3 %reduzieren. Dies trägt zur Vermeidung von Überhitzungseffekten bei und verlängert die Lebensdauer der eingesetzten Komponenten. Auch bestehende Rechenzentren können durch gezieltes Retrofitting optimiert werden. Der Austausch von Motoren, Antrieben und Steuerungssystemen kann die Energieverluste von Strom- und Kühlsystemen um bis zu 60 % reduzieren. Solche Maßnahmen amortisieren sich häufig innerhalb von weniger als zwei Jahren, abhängig vom Ausgangszustand der Anlage.

Nutzung von Abwärme

Durch optimierte Kühlkreisläufe kann Abwärme auf einem konstanten Temperaturniveau gebündelt werden. Diese lässt sich in geeigneten Infrastrukturen zur Versorgung von Fernwärmenetzen nutzen. In urbanen Gebieten können Rechenzentren damit relevante Beiträge zur lokalen Wärmeversorgung leisten und in bestehende Energiesysteme integriert werden.

Weitere Informationen können per E-Mail an ABB angefordert werden.