Klimavenligt dataforbrug kræver vandkøling

Når der løber strøm i ledninger og elektroniske komponenter, afsættes der energi. Det betyder, at hver gang du streamer en tv-serie på fjernsynet eller gemmer et stort excel-ark i skyen, så stiger temperaturen en lille smule i et af de mange store datacentre verden over, der sørger for at tilfredsstille vores umættelige appetit på data.

For at elektronikken ikke skal smelte sammen, er det nødvendigt at fjerne varmen fra de store serverracks i datacentrene, og det kræver energi. Faktisk så meget, at Energistyrelsen fremskriver, at hele 17 procent af Danmarks strømforbrug i 2030 vil gå til drift af datacentre. Omkring halvdelen af det energiforbrug stammer fra køling af processorer og grafikkort.

Det har fået grønne organisationer og EU til at varsle skærpede krav til klimabelastningen aftryk i form af CO2-udledning fra datacentre

Men hvordan reduceres energiforbruget, og hvordan udnyttes overskudsvarmen, der generes i datacentre, uden at vi skal bremse vores hastigt stigende dataforbrug. Hos Lenovo, der er storleverandør af udstyr til datacentre, er svaret klart: vandkøling.

Teknologien har været kendt i årtier, men har aldrig rigtigt slået igennem kommercielt. Det har været for dyrt i forhold til luftkøling. Men de stigende politiske krav, kombineret med øget regnekraft i processorerne, gør tilsammen, at vandkøling står over for et bredere teknologisk gennembrud i de kommende år.

»I dag er vandkøling mest udbredt i supercomputere, såkaldt High Performance Computing(HPC, red.), men der kommer ikke til at gå mange år, før vandkøling bliver nødvendig i mere konventionelle datacentre, simpelthen fordi processorerne og de nye acceleratorer bliver så kraftige og dermed udvikler så meget varme, at det vil kræve en orkan at køle ordentligt med luft. Selv ikke i kølige nordlige lande som Danmark er luftkøling en fremtidssikret løsning,« siger Tina Borgbjerg, nordisk direktør for Lenovos datacenterdivision.

Vandkøling forsvandt med x86-processorerne

I dag trækker et kraftigt grafikkort fra Nvidia mellem 3-400 watt i en server, og med plads til 142 af den type grafikkort i et datarack, bliver energiforbruget hurtigt meget krævende.

»Supercomputere er computerindustriens svar på Formel 1. Det er her mange nye teknologier modnes, og er derfor også et godt sted at spotte fremtidens teknologier,« siger Tina Borgbjerg.

Tilbage i mainframens tid brugte man også vandkøling, men det forsvandt med x86-processorerne, og siden gik udviklingen af vandkøling i stå. Lenovo begyndte udviklingen af vandkøling tilbage i 2010 og er i dag på fjerde generation af vandkølingssystemet Neptune, som især er kendetegnet ved at køle effektivt med varmt vand.

Når vandet skydes ind i systemet, er det mellem 45-50 grader varmt, og når det så har cirkuleret forbi processorerne, kommer det ud med en temperatur på 60-65 grader.

Det er en temperatur, der passer godt til at indgå direkte i et fjernvarmesystem, uden brug af en varmepumpe til at hæve temperaturen yderligere.

»Det betyder, at vi meget lettere kan udnytte overskudsvarmen, fordi vandet ikke skal varmes yderligere op for at kunne anvendes i eksempelvis i et fjernvarmesystem. Det skyldes udviklingen i køleteknologien, hvor vi med relativt store rørdimensioner og lav flowrate kan benytte højere fremløbstemperatur,« siger Tina Borgbjerg.

Luftkøling leverer i dag overskudsvarme ved omkring 25 grader, og er altså heller ikke let at integrere i eksisterende varmesystemer.

»Vandkøling er stadig mere omkostningstungt, typisk seks otte procent dyrere end luftkøling i indkøb, men den forskel udligner sig selv på grund af et lavere energiforbrug. I dag udgør energiforbrug tæt på halvdelen af de samlede omkostninger til en supercomputer. De almindelige datacentre bevæger sig i samme retning, og derfor ser vi også at flere datacenteroperatører planlægger vandkøling i deres kommende datacentre, de næste år,« siger Tina Borgbjerg.

Nødvendigt med energikrav

Men på trods af de energimæssige fordele ved vandkøling, så er det ikke ensbetydende med, at vandkøling automatisk bliver den dominerende køleteknologi lige med det samme, til trods for at det umiddelbart er den mest energi- og klimavenlige metode.

Søren Dyck-Madsen, seniorkonsulent i den grønne tænketank Concito har tre bud på, hvorfor vandkøling stadig mest hører til i supercomputere og endnu ikke har vundet indpas i de konventionelle datacentre.

For det første udvikles kølingsteknologierne primært i lande, som ikke har fjernvarme eller fjernkøling, og som i stedet for fokus på en samlet maksimal energieffektivitet alene, prioriterer ensartethed og køb af strøm fra vedvarende energikilder. For det andet er der ikke fælles standarder for, hvordan energieffektivt opgøres. Vandkøling reducerer ikke nødvendigvis direkte energiforbruget, men gør snarere, at overskudsvarmen lettere og billigere kan anvendes, hvilket reduceret et datacenters samlede energibalance.

Den sidste element handler om et trægt marked. Det er ikke muligt at retrofitte et datacenter, fra luft til vandkøling, og derfor bliver vandkøling kun introduceret i helt nye datacentre og sjældent ved opgraderingen af eksisterende.

»Der er brug for at stille krav til energieffektivitet af datacentre, især med henblik på at få indfaset energieffektive vandkølingsteknologier med lavere samlet el-forbrug og bedre mulighed for anvendelse af spildvarmen til opvarmnings- og køleformål,« siger Søren Dyck-Madsen.

Han foreslår konkret, at Danmark arbejder for, at EU indskriver nye krav til energieffektiviteten af datacentre i EE-direktivet(Energieffektiviseringsdirektivet).

»Det bør være et krav, at nye datacentre placeret i EU skal anvende mest energieffektive køleteknologi, som p.t. er vandkøling. Derudover bør det være et krav om sektorintegration mellem strømforbruget til datacentrene og anvendelse af spildvarmen til nødvendig opvarmning eller køling via den udbredte tilstedeværelse i EU af fjernvarmesystemer og til dels af kølesystemer,« siger Søren Dyck-Madsen.

Minister: Energieffektivitet har begrænset effekt på CO2-udledning

Men hvor stor en klimagevinst vil Danmark faktisk kunne hente – målt som hhv. ton og som andel af 70 pct.-målsætningen i 2020 og 2030 – hvis man stillede krav om at genanvende varmen gennem direkte vandkøling på processorerne i fjernvarmenettet frem for luftkøling på de eksisterende og de kommende danske datacentre?

Det spørgsmål stillede De Radikales Ida Auken klima,- energi- og forsyningsminister Dan Jørgensen tidligere i år. Svaret var kortfattet: Det ved vi ikke, og spørgsmålet er, ifølge ministeren, ikke interessant.

»Der forventes ikke at være nogen væsentlig CO2-reduktion ved anvendelse af vandkøling frem for luftkøling af servere i datacentre. Det skyldes to forhold. For det første forventes det danske elforbrug at være 100 pct. baseret på VE i 2030. Energieffektiviseringer, der leder til et reduceret elforbrug, vil dermed ikke påvirke den danske CO2-udledning væsentligt. For det andet forventes fjernvarmen at være tæt på 100 pct. baseret på VE i 2030,« svarede Dan Jørgensen i februar.

Det argument preller dog af på Søren Dyck Madsen fra Concito, som ikke ser biomasse som et CO2-neutralt produkt.

»Det er i særdeleshed nødvendigt med et fokus på at erstatte afbrænding af biomasse med udnyttelse af overskudsvarme. Biomasse er en global meget knap ressource, hvilket betyder, at et overforbrug i Danmark – uanset certificering – vil føre til øget behov for ikke-bæredygtig biomasse et andet sted i verden med betydelig negativ klimaeffekt. Biomasse er faktisk meget langt fra at være CO2-neutralt på verdensplan, så udfasning af biomasse til formål, som let kan klares med andre varmekilder, har en klar positiv klimaeffekt,« siger Søren Dyck Madsen.

I et nyt folketingssvar til Dansk Folkepartis Morten Messerschmidt(DF), skriver Dan Jørgensen at han er opmærksom på fordelene ved at bruge vandkøling i forhold til at udnytte overskudsvarmen. Men energikrav til datacentre bør være et EU-anliggende.

»Det er velkendt, at datacentre bl.a. vælger at placere sig i Danmark på grund af vores høje forsyningssikkerhed, lave elpriser og høje andel af vedvarende energi i elnettet. Ved at indføre nationale krav, der går ud over det, som er vedtaget på EU-niveau, kan vi risikere, at virksomhederne placerer deres datacentre andetsteds, hvilket kan få negative konsekvenser for klimaet. Derfor mener jeg, at der er behov for en fælles indsats på EU-niveau, skriver Dan Jørgensen i et i folketingssvar 10. september.

Selvom klima,- energi- og forsyningsministeriet ikke direkte kan opgøre effekten af at skifte fra luft til vandkøling, så viste et studie i det videnskabelige tidsskrift Science tidligere i år, at hardware og software formentlig kun kan håndtere en fordobling af den nuværende datacenterkapacitet, uden at energiforbruget stiger, og det sker allerede i løbet af tre til fire år.