Wasserverbrauch von Rechenzentren – es geht auch sparsam

Rechenzentren gelten gemeinhin als Wassergroßverbraucher. Gerade mit dem Boom von Künstlicher Intelligenz wächst die Sorge, der Durst der digitalen Infrastruktur könnte in Deutschland die bestehenden Wasserkonkurrenzen weiter anheizen. Aber dies mag unberechtigt sein, denn die technologische Entwicklung erfasst auch den Wasserverbrauch. Das Ergebnis wird viele freuen: Moderne Rechenzentren lassen sich heute mit sehr wenig Wasser betreiben – manche werden praktisch ohne die knapper werdende Ressource gekühlt. Weil in meiner Nachbargemeinde eines der aktuell größten deutschen Rechenzentren geplant wird, habe ich mich auf den Weg gemacht und mir das Großprojekt und dessen geplanten Wasserverbrauch genauer angeschaut. Statt den Wasserbedarf einer Großstadt sollen dort nur Mengen verbraucht werden, die den Verbräuchen von weniger als 100 Haushalten entsprechen. Das „wie“ will ich beschreiben, um für ähnliche Projekte grobe Anhaltspunkte zu geben, was heute schon möglich ist.

Weshalb Rechenzentren überhaupt Wasser benötigen

In einem Rechenzentrum befindet sich eine Vielzahl von Servern, die bei der Datenverarbeitung große Mengen an Wärme erzeugen. Diese Wärme abgeführt werden, damit die Systeme zuverlässig arbeiten. Weit verbreitet ist die sogenannte Verdunstungskühlung, bei der die Wärme mit dem verdunsteten Wasser abgeführt wird. Diese Technik prägt nicht nur die Mehrzahl der Serverfarmen, sondern auch die Schlagzeilen darüber und den Widerstand in der Öffentlichkeit.

Aber man muss bei dem was mit dem Wasser passiert schon genau hinschauen. Denn nicht immer geht dieses bei der Kühlung verloren. „Der Betrieb von Rechenzentren ist nicht zwingend mit einem Wasserverbrauch verbunden. Es gibt geschlossene Wasserkreisläufe in Rechenzentren – ähnlich wie beim Automotor oder bei Heizungsanlagen in Wohnhäusern. Dieses Wasser muss zwar gelegentlich nachgefüllt und ggf. auch einmal ausgetauscht werden, aber dadurch entsteht nur ein sehr geringer Wasserbedarf“, ist in einer Studie des Borderstep Institut zu lesen. So sind Systeme der Flüssigkeitskühlung geschlossene Kreisläufe. Anders als der Begriff vielleicht vermuten lässt, wird bei dieser Technologie daher fast kein Wasser verbraucht.

Ein hoher Wasserverbrauch von Rechenzentrum entsteht dann, wenn mit der Kühltechnologien das Ziel verfolgt wird, Energie zu sparen. Daraus entsteht ein Zielkonflikt bei der Ressourceneffizienz. Also entweder wird zur Kühlung der Wasserverbrauch oder der Stromverbrauch reduziert. Wofür sich ein Betreiber entscheidet, hängt von der Regulierung, der Ressourcenverfügbarkeit, den Randbedingungen und den Preisen für die Ressourcen ab. Da Wasser nur selten mit einem Knappheitspreis versehen wird, schlägt das Pendel häufig zugunsten der Energieeffizienz.

Aber es kommt ein weiterer Aspekt hinzu: Den größten Wasserverbrauch verursachen die Serverfarmen nämlich dann, wenn sie ihren Strom aus konventionellen thermischen Kraftwerken (Gas, Öl, Kernkraft) beziehen, da dort oft ein hoher Wassereinsatz besteht. Ergo geht es nicht nur um das Wasser für die Kühlung der Serverfarmen, berücksichtigt werden muss auch der Energieverbrauch für den Betrieb. Das vergrößert den Wasserfussabdruck von Rechenzentren. Daher sind regenerative Energien wie Photovoltaik und/oder Windkraft auch aus Wassersicht nachhaltiger als mit konventionell erzeugten Strom betriebene und gekühlte Anlagen.

Weltweit gibt es mehr als 11.000 Rechenzentren. Laut Data Center Map, die weltweit Rechenzentren erfasst, befinden sich mit rd. 4.500 Anlagen die mit Abstand meisten davon in den Vereinigten Staaten, gefolgt von Grossbritannien, Deutschland und China. Daten des Borderstep Instituts zufolge, auf die sich auch die Nationale Rechenzentrumstrategie der Bundesregierung bezieht, liegt die IT-Anschlussleistung von Rechenzentren in Deutschland bei rd. 3.000 Megawatt. Bis 2030 erwartet Borderstep (Stand 2025) einen Anstieg der Anschlussleistung von Rechenzentren auf insgesamt 5.000 MW. Damit wäre ein steigender Wasserverbrauch in Deutschland verbunden, wenn es keinen technologischen Wandel bei der Kühlung und der Energieerzeugung gäbe.

Wasserverbrauch von Rechenzentren in den USA

Für meine früheren Beiträge zum Wasserverbrauch von Rechenzentren hatte ich überwiegend in den USA recherchiert, um die Dimensionen und Auswirkungen zu verstehen. Das war schon erschreckend, denn die Wasserentnahmen fanden in Regionen statt, in denen infolge der Trockenheit und Hitze ehedem schon Wasserstress oder bereits Knappheit herrschte.

Mit der Ansiedlung von Rechenzentren bei Wasserstress oder gar Knappheit entstehen und eskalieren häufig ehedem schon bestehende Nutzungskonkurrenzen. Denn dann kommt zu der Vielzahl der Wassernutzer noch ein Großverbraucher hinzu. Auf die gesamten USA bezogen ist der Wassereinsatz in Rechenzentren mit etwa 1,7 Millionen Kubikmeter pro Tag im Vergleich zum nationalen Gesamtwasserverbrauch mit 1.218 Millionen Kubikmeter pro Tag eher gering. Es gibt sogar Berechnungen wonach die Golfplätze deutlich mehr verbrauchen. Aber lokal betrachtet „stresst“ der Wasserbedarf der Rechenzentren die lokalen Wasservorräte. Insgesamt gehören in den USA die Rechenzentren zu den zehn größten wasserverbrauchenden industriellen oder gewerblichen Branchen. Im März 2023 schrieb ich unter dem Titel „Rechenzentren und Wasser: Was Datennutzung mit Wasserkonflikten zu tun hat“ über die Datendürre bei Rechenzentren.

Die stille Revolution des Wasserverbrauchs in meiner Nachbarkommune

Ich war jetzt auf der Suche nach Projekten in Deutschland. Bei meinen Recherchen kam mir ein Zufall zu Hilfe. In meiner Nachbargemeinde Lippetal in der Mitte Westfalens begannen die genehmigungsrechtlichen Vorbereitungen für die Ansiedlung eines der mit 220 MW Leistung größten deutschen Rechenzentrums. Investor und Betreiber sind die Investmentgesellschaft Blackstone und ihr Tochterunternehmen QTS. Bei der Durchsicht der Unterlagen für den Bebauungsplan war ich dann doch überrascht: „Der durchschnittliche Wasserbedarf beläuft sich bei Realisierung des Gesamtvorhabens gemäß den aktuell vorliegenden initialen Annahmen für die Beschäftigten und Prozesswasser für die Kühlung auf ca. 6.800 cbm/a“, war dort zu lesen. Der Wasserlieferant sei der lokale Versorger.

Statt für Recherchen zu der Wasserfrage viel Zeit im Internet zu verbringen, fuhr ich 4. Juli zu einer öffentlichen Bürgerinformation ins 15 Kilometer entfernte Lippetal. Der Bürgermeister hatte Bürger und Interessierte zu einem „Markttag“ eingeladen. Dort stellten sich Gemeinde, Investoren und Planungsbüros den Fragen. Dabei konnte ich mir nicht nur ein Bild davon machen, wie transparent die Investoren kommunizieren, sondern meine Fragen auch aus erster Hand beantworten lassen. Blackstone will rund 4 Milliarden Euro investieren, die künftigen Kunden werden voraussichtlich weitere 8 bis 12 Milliarden Euro in die IT-Ausstattung stecken.

Die QTS-Projektverantwortlichen, Michael Heumann (Director Utility Development EMEA) und Ahmed Daabis (Design Director) erklärten mir, weshalb bei dem Rechenzentrum im Lippetal der Wassereinsatz derart gering sein werde. Das Kühlsystem benötige kein Frischwasser, da eine Kühlflüssigkeit in einem geschlossenen Kreislaufsystem zirkuliere. Nach der einmaligen Befüllung vor der Inbetriebnahme bleibe das Medium dauerhaft im System und wird immer wieder verwendet. Durch den Einsatz eines Liquids, eines chemischen Gemischs, das außerorts gemischt und in Transportfahrzeugen angeliefert werde, reiche eine einmalige Füllung mit circa 2.500 Kubikmetern Wasser.

QTS setzt bei seinen Rechenzentren auf geschlossene Kühlsysteme sog. Closed-Loop Cooling, die nach der Inbetriebnahme kein Frischwasser für die Kühlung verbrauchen. Dadurch wird die lokale Wasserversorgung geschont. Lediglich Wasser für die üblichen Gebäudefunktionen wie Sanitäranlagen oder Küchen wird benötigt – im Fall von Lippetal sollen das weniger als 7.000 Kubikmeter sein. Nach Angaben des Unternehmens spart diese Technologie im Vergleich zu herkömmlichen Verdunstungskühlsystemen jedes Jahr Milliarden Liter Wasser ein. QTS positioniert sich damit als Vorreiter bei wassersparenden Rechenzentrumskonzepten und reagiert auf die zunehmende Diskussion über den Wasserverbrauch der digitalen Infrastruktur. Für wasserarme Regionen und Kommunen, die neue Rechenzentren ansiedeln möchten, kann der Einsatz solcher geschlossenen Kühlsysteme einen wichtigen Beitrag leisten, um Nutzungskonflikte mit der öffentlichen Wasserversorgung zu vermeiden.

Grüne Energie aus der Nordsee statt Kohlekraftwerk

Bliebe also das Thema Energie und die indirekten Wasserverbräuche bei der Erzeugung des benötigten Betriebsstroms. Dazu muss man wissen, dass in Sichtweite des geplanten Standortes eines der ehemaligen Standbeine der überregionalen Stromerzeugung steht, das RWE-Steinkohlekraftwerk „Westfalen“. Das Kraftwerk ging 2021 im Zuge des Ausstiegs aus der Kohleverstromung vom Netz. Während die Erzeugung somit keine Rolle mehr spielt, hat RWE dort Großbatteriespeicher mit einer Gesamtleistung von 140MW installiert.

QTS verfolgt allerdings ehedem eine andere Strombezugsquelle und hat auch deshalb Lippetal als Standort gewählt. In dem Gebiet wird 2030 die Hochspannungsgleichstrom-Trasse vom Übertragungsnetzbetreiber Amprion enden, die erneuerbaren Strom aus Offshore-Windanlagen von der Nordsee nach Süden bringen wird. Ein Konverter wandelt den Gleichstrom in Wechselstrom um und macht ihn über die Umspannanlage im Lippetal für die Region nutzbar. Diese Energie wollen die Investoren für ihre Kunden, die sich im Rechenzentrum ansiedeln wollen, zur Verfügung stellen.

Langfristig, so erfahre ich, will man eigene Windkraftwerke und Photovoltaik errichten, um energetisch unabhängiger zu werden. Zugleich sollen Ausfallrisiken mit eigenen Großspeichern gepuffert werden.

Das Problem ist also nicht das Rechenzentrum an sich, sondern die Wahl der Kühltechnologie.

Blick über die Lippe auf das Kraftwerk Westfalen der RWE Power — Blick über die Lippe auf das Kraftwerk Westfalen – (c) Gendries (Aufnahme 2020)

Wohin die Reise gehen könnte

Der Wasserverbrauch ist ein sehr relevanter Faktor bei der Nachhaltigkeit von Rechenzentren, wenngleich auch nicht der Einzige. Beim Thema Wasser geht es zudem noch um die Auswirkungen des Standortes auf die lokale Umwelt. Das Hochwasserthema und der Umgang mit Starkregen sind angesichts der Dimension derartiger Anlagen ebenso von großer Bedeutung. Wer sich für die Details interessiert findet in den nachstehenden Quellen die entsprechende Dokumente aus dem Projekt Lippetal. Die in den Unterlagen vorgefundenen 6.800 Kubikmeter Wasserverbrauch im Jahr entsprechen dank der Closed-Loop-Kühltechnologie dem Jahresverbrauch von weniger als 100 Haushalten. Würde dagegen bei dem 220 Megawatt-Projekt eine Technologie zum Einsatz kommen, die auf Verdunstungskühlung setzt und in den USA anzutreffen ist, dann dürfte angesichts der in der Literatur genannten Wassereffizienzkennzahlen (WUE) von einem Verbrauch zwischen 1 bis 2 Millionen Kubikmeter pro Jahr auszugehen sein.

Der steigende Bedarf an Rechenleistung durch KI, Cloud-Dienste und Digitalisierung bedeutet nicht automatisch einen steigenden Wasserverbrauch wie in früheren Zeiten. Um die immer leistungsfähigeren Prozessoren in Rechenzentren zu kühlen, werden zunehmend neue Kühlverfahren eingesetzt. Dabei spielt Wasser oft nur noch eine untergeordnete Rolle – oder wird sogar ganz ersetzt. Zwar könnten ältere Rechenzentren nicht einfach von jetzt auf gleich auf neue Kühltechnologien umstellen, erklärt mir der QTS-Experte Dhaabis. Schließlich lassen sich im 24/7-Dauerbetrieb laufende IT-Anlagen nicht unterbrechungsfrei mit neuen Kühlsystemen ausstatten. Aber der Trend bei neuen Rechenzentren gehe aber eindeutig in Richtung wasserlose Kühlung.

Das zeigen auch meine Recherchen zu den Konzepten für moderne Rechenzentren. Leistungsfähige digitale Infrastruktur mit minimalem oder sogar praktisch keinem laufenden Wasserverbrauch für die Kühlung ist möglich. Die Wahl der Kühltechnologie und die Wahl der Energieerzeugung sind entscheidende Schrauben für die Nachhaltigkeit.

Für das Thema Wasser ergibt sich für mich daraus eine wichtige Erkenntnis: Die Diskussion dürfte sich künftig weniger auf pauschale Verbrauchszahlen konzentrieren sondern stärker auf die Frage, welche technischen Standards bei neuen Rechenzentren eingesetzt werden. Betreiber von Rechenzentren sollten neue Anlagen so konzipieren, dass der Wasserverbrauch reduziert und minimiert wird. Gleichzeitig müssen sie Kompromisse, wie beispielsweise die Energieeffizienz, berücksichtigen und ein Kühlsystem wählen, das den lokalen Gegebenheiten entspricht. Neue, verbesserte Konzepte im Bereich der Trocken- oder wasserlosen Kühltechnologien ermöglichen es Betreibern die Wärme wirtschaftlich mit minimalem Wasser- und geringem Energieverbrauch abzuführen. Denn das Rechenzentrum der Zukunft könnte deutlich weniger Wasser benötigen, als viele heute vermuten.

Einige ansiedlungswillige Betreiber neuer Rechenzentren scheinen zu verstehen, dass die Öffentlichkeit nicht nur ein vitales Interesse an der Nachhaltigkeit der Serverfarmen hat, sondern auch den Einfluss auf den Erfolg eines Projektes Einfluss zu nehmen. Davon zeugen nicht nur Projekte in den USA, sondern mittlerweile auch in Deutschland. Allerdings rührt sich aktuell Kritik an den Planungen von Microsoft im Rhein-Erft-Kreis. Zu dem dortigen Projekt gibt es laut Medienberichten keine Informationen zum Wasserverbrauch.

Die deutsche Öffentlichkeit erlebt angesichts der aktuellen Hitze und Trockenheit, wie wertvoll Wasser ist und dass die Behörden dessen Nutzung einschränken. Die Rechenzentrumsbranche sollte daher sehr vorsichtig sein und die Wasserthemen hierzulande anders behandeln als es in den USA der Fall zu sein scheint. Andernfalls werden sie viel Zeit verlieren. Mit Blick auf Lippetal kann ich – Stand heute – sagen: geht doch!

Quellen und Weiterführendes