Supercomputer im Eis: Warum KI-Rechenzentren kälter werden

Die Server, die heute große KI‑Modelle trainieren, erzeugen an einem Rack deutlich mehr Wärme als klassische Webserver. Während vor Jahren noch Luft­kühlung reichte, sprechen Ingenieure inzwischen von mehreren zehn Kilowatt pro Schrank. Für Betreiber heißt das: Entweder sie investieren massiv in konventionelle Kühlsysteme oder sie ändern die Art, wie Wärme abgeführt wird. Die Suche nach effizienteren Lösungen führt zu direkter Flüssigkeitskühlung, Immersion‑Systemen und zur Nutzung kühler Standorte wie Island, wo die Außentemperatur und erneuerbare Energie die Bilanz verbessern.

Für Nutzer bedeutet das: Wenn dein Smartphone lädt, bemerkst du nichts, aber in einem KI‑Rechenzentrum laufen an vielen Stellen kleine Hochleistungsgegenstücke, die zusammen so viel Wärme erzeugen wie ein kleines Dorf. Dieser Artikel erläutert die technischen Grundlagen, berichtet von konkreten Beispielen und ordnet Chancen sowie Risiken ein.

Moderne KI‑Beschleuniger (GPUs und spezialisierte Chips) haben deutlich höhere Leistungs­dichten als klassische CPUs. Leistungsdichte meint hier die Energie, die pro Rack an Wärme entsteht. Je höher diese Dichte, desto ineffizienter ist Luft als Wärmeträger: Ventilatoren müssen schneller drehen, Luftkanäle werden komplexer, und der Gesamt­stromverbrauch der Kühlung steigt. Flüssigkeitsnahe Kühlung ist effizienter, weil Flüssigkeiten Wärme schneller und gezielter abführen können.

Je näher das Kühlmittel am Chip ist, desto weniger Arbeit muss das Kühlsystem leisten — das spart Energie und reduziert Latenz durch thermische Drosselung.

Wichtig sind zwei Begriffe: PUE (Power Usage Effectiveness) beschreibt das Verhältnis aus Gesamtenergieverbrauch und Energie, die IT‑Geräte direkt nutzen. Ein niedrigerer PUE-Wert zeigt höhere Effizienz. Single‑Phase‑Immersion bedeutet, dass die Komponenten in ein elektrisch nicht leitendes Fluid eingetaucht werden, das die Wärme aufnimmt, ohne zu verdampfen. Two‑Phase‑Immersion nutzt einen Phasenwechsel (Verdampfen und Kondensieren), der pro Masseeinheit deutlich mehr Wärme aufnehmen kann.

Die Tabelle zeigt typische Unterschiede in einfachen Größenordnungen und warum die Branche von Luft zu Flüssigkeit wechselt.

Die genannten Zahlen zu Two‑Phase‑Systemen stammen aus Industrieanalysen von 2022 und sind damit älter als zwei Jahre; sie geben aber eine praktikable Größenordnung für Vergleichsrechnungen. Konkrete Werte in Rechenzentren hängen stark von Implementierung, Fluidmanagement und Verlustraten ab.

Island hat sich in den letzten Jahren als attraktiver Standort für Hochleistungs‑Rechenzentren etabliert: kühle Außenluft, stabile erneuerbare Energie und eine Geschichte im Umgang mit großer Infrastruktur machen das möglich. Betreiber wie atNorth haben ihren ICE02‑Campus ausgebaut und geben Kapazitätserweiterungen an; in einer Ankündigung von 2024 wurde eine Erweiterung um rund 35 MW genannt, die Site beschreibt sich als “liquid cooling ready” und nennt für den Campus eine Ziel‑PUE von etwa 1.20.

Parallel testeten Hersteller Immersion‑Systeme: Fallstudien (Herstellerangaben aus 2023) zeigen Single‑Phase‑Immersion mit Validierungen bis in hohe CPU‑Leistungsbereiche (als Beispiel werden Tests mit bis zu etwa 800 W pro Komponente genannt). Diese Hersteller‑Fallstudien sind wertvoll für die technische Einordnung, sie stammen jedoch aus Partnerdokumenten und sind deshalb kritisch zu prüfen.

Wichtig ist hier ein Befund zur Frage, die oft kursiert: Werden Rechenzentren tatsächlich unter 0 °C betrieben, also mit Fluids oder Systemen, die dauerhaft unter dem Gefrierpunkt liegen? Für Island und den Zeitraum 2023–2024 gibt es keine belastbaren Belege für produktive Deployments mit dauerhaftem Betrieb unter 0 °C in Immersion‑Racks. Viele Betreiber nennen “Liquid‑Cooling‑Bereitschaft” und Hochdichte‑Deployments, offenbaren aber selten die exakten Betriebstemperaturen oder Fluidtypen in öffentlichen PR‑Dokumenten.

Kurz gesagt: Island ist ein Zentrum für flüssigkeitsnahe Kühlung und Abwärmenutzung; konkrete, veröffentlichte Beispiele für dauerhaftes below‑zero‑Immersion in Produktivsystemen für diesen Zeitraum konnten in öffentlichen Quellen nicht bestätigt werden.

Die Vorteile sprechen für sich: Niedrigere PUE, geringerer Energiebedarf für Ventilation und höhere Packungsdichten. Flüssigkeitsnahe Kühlung reduziert oft auch Temperaturspitzen, was die Lebensdauer von Komponenten verbessern kann. Außerdem eröffnen niedrigere Kühltemperaturen bessere Optionen zur Wärme­rückgewinnung: Warme Flüssigkeiten lassen sich an Gebäudeheizungen oder industrielle Prozesse anschließen.

Auf der anderen Seite stehen technische Risiken, die nicht übersehen werden dürfen. Bei Betrieb in sehr kalten Bereichen können Kondensation an Gehäusen, Materialversprödung bei Dichtungen und veränderte Chemie mancher Kühlflüssigkeiten auftreten. Two‑Phase‑Ansätze bringen zusätzliche Anforderungen an Dampfmanagement und Sicherheit. Branchenanalysen aus 2022 betonen, dass Emissionsvorteile von Two‑Phase‑Systemen stark von der jährlichen Fluidverlustquote abhängen; Modellrechnungen sehen Vorteile nur bei sehr niedrigen Verlusten (zum Beispiel unter 2 % pro Jahr). Diese Studien sind älter als zwei Jahre, bleiben aber relevant für die grundsätzliche Bewertung.

Organisatorisch entstehen neue Aufgaben: Wartungsequipment, Schulungen für Techniker, Lieferketten für die Fluide und klare Protokolle für Lecksuche und Rückgewinnung. Betreiber, die Abwärme nutzen wollen, müssen zudem Partner in der Nähe haben, die ausreichend Nachfrage nach Niedertemperaturwärme bieten. Rechtliche und sicherheitstechnische Regeln für neue Kühlfluide sind je nach Land unterschiedlich und müssen früh geprüft werden.

In den nächsten Jahren zeichnen sich mehrere nachvollziehbare Szenarien ab. Erstens: Breite Einführung direkter Flüssigkeitskühlung in großen AI‑Clusters, kombiniert mit lokalem Wärme­recycling. Zweitens: selektive Nutzung von Immersion‑Piloten für extrem dichte Racks, etwa Trainingscluster für große Modelle. Drittens: Fokussierte Forschung zu Two‑Phase‑Systemen mit Ziel, praktikable Fluide für tiefe Betriebstemperaturen zu validieren.

Wichtig ist, dass viele dieser Szenarien in Pilotprojekten erprobt werden sollten. Gute Piloten messen nicht nur Energie und Kühlleistung, sondern auch Fluidemissionen, Materialalterung und Betriebsstabilität über Monate. Betreiber sollten technische Briefings von Lieferanten anfordern und unabhängige Messprotokolle verlangen. Bei Standorten mit erneuerbarer Energie und kaltem Klima ist die Wirtschaftlichkeit besonders günstig — jedoch sollte die Entscheidung immer auf Daten aus Feldtests basieren, nicht allein auf Herstellerangaben.

Für die Industrie bedeutet das: Investitionen in Instrumentierung, standardisierte Testverfahren und transparente Offenlegung von Messmethoden. Für Städte und Regionen kann die bessere Nutzung von Abwärme neue Geschäftsmodelle eröffnen, wenn Politik und Infrastruktur diese Nutzung zulassen.

Die Verlagerung zu kälteren, flüssigkeitsnahen Kühlkonzepten ist eine direkte Folge steigender Leistungs­dichten in KI‑Servern. Techniken wie direkte Flüssigkeitskühlung und Immersion bieten bessere Energieeffizienz und neue Optionen zur Abwärmenutzung, bringen aber auch technische und organisatorische Herausforderungen mit sich. Für Betreiber ist wichtig, dass Entscheidungen auf Pilotdaten, Materialprüfung und einer robusten Strategie für Fluidmanagement beruhen. Öffentliche Angaben von Betreibern zeigen, dass Standorte mit kühlem Klima und erneuerbarer Energie — etwa Island — prädestiniert sind, frühe Anwender zu werden; konkrete Belege für dauerhaftes below‑zero‑Immersion in Produktivsystemen für 2023–2024 liegen jedoch nicht vor.