Wassernutzungseffizienz: KI-Rechenzentrumskühlung ohne Krise

Aktualisiert am 11. Dezember 2025

Update Dezember 2025: Microsoft setzt geschlossene Kühlsysteme ohne Wasserverdunstung ein – eliminiert Verdunstungswasser vollständig und reduziert den jährlichen Wasserverbrauch um mehr als 125 Millionen Liter pro Anlage. KI-Rechenzentren verbrauchen 10-50x mehr Kühlwasser als traditionelle Serverfarmen. Google-Anlagen verbrauchen durchschnittlich 550.000 Gallonen täglich. Das Training von GPT-3 verdunstete 700.000 Liter Süßwasser. Wasserfreie Designs werden zur Branchenrichtung.

Die kommenden Rechenzentren von Microsoft werden geschlossene Kühlsysteme ohne Wasserverdunstung nutzen, die den Bedarf an Verdunstungswasser vollständig eliminieren.¹ Nach einmaliger Befüllung bei der Errichtung zirkuliert das Kühlmittel kontinuierlich und reduziert den jährlichen Wasserverbrauch um mehr als 125 Millionen Liter pro Anlage. Das Design repräsentiert einen fundamentalen Wandel in der Art, wie KI-Infrastruktur den Wasserverbrauch angeht – weg von der Akzeptanz hohen Wasserverbrauchs hin zur technischen Eliminierung.

KI-Rechenzentren verbrauchen 10-50 Mal mehr Kühlwasser als traditionelle Serverfarmen.² Das Ausmaß schafft echte Nachhaltigkeitsbedenken: Googles Rechenzentren verbrauchen durchschnittlich 550.000 Gallonen täglich pro Anlage, und das Training von GPT-3 allein verdunstete 700.000 Liter Süßwasser.³ Organisationen, die KI-Infrastruktur aufbauen, stehen unter wachsendem Druck von Regulierungsbehörden, Gemeinden und ihren eigenen Nachhaltigkeitsverpflichtungen, den Wasserverbrauch zu adressieren. Das Verständnis von Water Usage Effectiveness (WUE) und den Technologien, die wasserfreie Kühlung vorantreiben, hilft bei der Navigation in dieser sich entwickelnden Landschaft.

WUE verstehen

The Green Grid führte Water Usage Effectiveness 2011 als standardisierte Metrik für den Wasserverbrauch von Rechenzentren ein.⁴ Wie Power Usage Effectiveness (PUE) für Energie bietet WUE einen Benchmark für den Vergleich der Wassereffizienz zwischen Anlagen.

WUE-Berechnung

WUE misst Liter Wasserverbrauch pro Kilowattstunde IT-Equipment-Energie:

WUE = Jährlicher Standort-Wasserverbrauch (Liter) / Jährliche IT-Equipment-Energie (kWh)

Die Formel erfasst den gesamten Wasserverbrauch – Kühlturm-Nachfüllwasser, Befeuchtung und jeden anderen betrieblichen Wasserverbrauch – relativ zur tatsächlich gelieferten Rechenleistung.

Beispielberechnung:

Anlagen-Wasserverbrauch: 50 Millionen Liter/Jahr
IT-Energieverbrauch: 100 Millionen kWh/Jahr
WUE = 50.000.000 / 100.000.000 = 0,5 L/kWh

WUE-Benchmarks

Ideale WUE: 0,0 L/kWh Luftgekühlte Anlagen ohne Verdunstungskühlung können einen Wasserverbrauch von null erreichen. Der Kompromiss: höherer Energieverbrauch und höhere PUE.

Branchendurchschnitt: 1,8-1,9 L/kWh Die meisten Rechenzentren liegen in diesem Bereich und nutzen Verdunstungskühlung, die Wasser gegen Energieeffizienz eintauscht.⁵

Bestleistung: 0,3-0,7 L/kWh Das Rechenzentrum des NREL erreicht 0,7 L/kWh zusammen mit 1,06 PUE und demonstriert, dass niedrige WUE keine Einbußen bei der Energieeffizienz erfordert.⁶

Regionale Variation: Microsofts WUE variiert dramatisch nach Standort – Arizona operiert bei 1,52 L/kWh, während Singapur 0,02 L/kWh erreicht.⁷ Klima, Wasserverfügbarkeit und Kühltechnologie beeinflussen alle die erreichbare WUE.

Der WUE-PUE-Kompromiss

WUE und PUE bewegen sich oft gegenläufig:

Luftkühlung: Null Wasserverbrauch (WUE = 0), aber höherer Energieverbrauch (PUE 1,4-1,8)

Verdunstungskühlung: Hoher Wasserverbrauch (WUE 1,5-2,5), aber bessere Energieeffizienz (PUE 1,1-1,3)

Flüssigkeitskühlung: Minimaler Wasserverbrauch in geschlossenen Designs (WUE nahe 0) bei exzellenter Energieeffizienz (PUE 1,05-1,2)

Flüssigkeitskühlung durchbricht den traditionellen Kompromiss und ermöglicht sowohl niedrige WUE als auch niedrige PUE – was ihre schnelle Adoption für KI-Infrastruktur erklärt.

Die Wasserverbrauchs-Herausforderung der KI

KI-Workloads schaffen beispiellose Wasseranforderungen durch die Kombination aus höherer Leistungsdichte und kontinuierlichem Betrieb.

Ausmaß des Verbrauchs

Der Wasserverbrauch der Hyperscaler wuchs mit der KI-Expansion dramatisch:

Google: 24.227 Megaliter verbraucht in 2023 – dreimal so viel wie Microsoft und jährlich um 17% wachsend.⁸

Microsoft: 7.844 Megaliter in 2023, wobei 41% in wassergestressten Gebieten verbraucht wurden. Der globale Betrieb nutzte fast 6,4 Millionen Kubikmeter, eine Steigerung von 34% gegenüber dem Vorjahr.⁹

Branchenprognose: Der Wasserverbrauch wird voraussichtlich bis 2028 1.068 Milliarden Liter jährlich erreichen – eine 11-fache Steigerung gegenüber dem aktuellen Niveau.¹⁰

KI-spezifische Faktoren

KI-Workloads treiben durch mehrere Mechanismen höheren Wasserverbrauch:

Leistungsdichte: GPU-Racks operieren bei 50-135 kW, gegenüber 10-20 kW für traditionelle Server. Höhere Wärmeabgabe erfordert aggressivere Kühlung.

Kontinuierlicher Betrieb: Trainingsdurchläufe, die Wochen oder Monate dauern, erzeugen anhaltende Wärmelasten ohne die intermittierenden Leerlaufzeiten typischer Unternehmens-Workloads.

Inferenz-Wachstum: Produktive KI-Deployments führen Inferenz kontinuierlich durch und schaffen 24/7-Kühlungsanforderungen, die den Wasserverbrauch akkumulieren.

Auswirkung pro Anfrage: Forscher der UC Riverside schätzen, dass jede 100-Wort-KI-Anfrage etwa 519 Milliliter Wasser verbraucht – ungefähr eine Flasche pro Interaktion.¹¹

Geografische Konzentration

Wasserstress verstärkt sich in Regionen mit starken KI-Infrastrukturinvestitionen:

Arizona: Große Hyperscaler-Präsenz im Wüstenklima mit begrenzten Wasserressourcen. Microsofts Arizona-Anlagen operieren bei 1,52 L/kWh WUE – unter ihren höchsten weltweit.

Oregon: Die Verbreitung von Rechenzentren belastet Wasserressourcen in Gemeinden, die von denselben Quellen für Landwirtschaft und Wohnnutzung abhängig sind.

Globale Expansion: Hyperscaler werden kritisiert, weil sie wasserintensive Anlagen in dürregefährdeten Regionen bauen, während sie wasserneutrale Verpflichtungen verfolgen.¹²

Kühltechnologien und Wassereffizienz

Traditionelle Verdunstungskühlung

Verdunstungskühlung bleibt die dominierende Technologie in bestehenden Rechenzentren:

Funktionsweise: Wasser absorbiert Wärme beim Verdunsten und überträgt thermische Energie von der Anlage in die Atmosphäre. Kühltürme verdunsten kontinuierlich Wasser, um Wärme aus dem Rechenzentrum abzuführen.

Wasserverbrauch: Verdunstungssysteme verbrauchen je nach Klima und Effizienz 1,5-3,0 L/kWh.

Energievorteil: Verdunstungskühlung reduziert die Kompressorarbeit und verbessert die PUE in geeigneten Klimazonen um 15-30% gegenüber mechanischer Kühlung.

Einschränkungen: Hoher Wasserverbrauch, Anforderungen an die Nachfüllwasseraufbereitung und Legionellenrisiko durch Kühltürme.

Luftkühlungs-Alternativen

Luftgekühlte Anlagen eliminieren den Wasserverbrauch, opfern aber Energieeffizienz:

Mechanische Kühlung: Kompressorbasierte Systeme führen Wärme ohne Wasserverdunstung ab. Höherer Energieverbrauch (PUE 1,4+), aber null Wasserverbrauch.

Freie Kühlung: Direkte Nutzung der Umgebungsluft, wenn die Außentemperaturen es erlauben. Effektiv in kühlen Klimazonen, aber begrenzte Anwendbarkeit für KI-Infrastruktur in Hochdichte-Konfigurationen.

Am besten geeignet für: Wassergestresste Regionen, in denen Wassereinsparung gegenüber Energieeffizienzüberlegungen überwiegt.

Direkte Chip-Flüssigkeitskühlung

Flüssigkeitskühlung repräsentiert die Durchbruchstechnologie, die sowohl Wasser- als auch Energieeffizienz ermöglicht:

Funktionsweise: Kühlplatten werden direkt auf CPUs, GPUs, Speichermodulen und Spannungsreglern montiert. Geschlossene Systeme zirkulieren Kühlmittel durch diese Platten und entfernen Wärme an der Quelle, bevor sie sich in die Luft verteilt.¹³

Wasserverbrauch: Geschlossene Designs verbrauchen im Normalbetrieb kein Wasser. Das System wird einmal bei der Errichtung befüllt und zirkuliert kontinuierlich.

Energieeffizienz: Flüssigkeitskühlung erreicht PUE unter 1,2 bei vollständiger Eliminierung des Wasserverbrauchs.¹⁴

NVIDIA-Implementierung: Das GB200 NVL72 Rack-skalige Flüssigkeitskühlsystem liefert 300-fach bessere Wassereffizienz als traditionelle luftgekühlte Architekturen.¹⁵

Zweiphasenkühlung

Fortgeschrittene Flüssigkeitskühlung nutzt Phasenwechsel für maximale Effizienz:

Funktionsweise: Speziell formulierte dielektrische Flüssigkeit (von Anbietern wie Honeywell und Chemours) siedet bei Temperaturen von nur 18°C. Der Phasenwechsel absorbiert erhebliche Wärmeenergie und bietet effizientere Kühlung als einphasige Flüssigkeitssysteme.¹⁶

Wasserfreier Betrieb: Die HyperCool-Technologie von ZutaCore entfernt Wärme direkt an der Quelle, eliminiert den Wasserverbrauch und reduziert den Energieverbrauch um bis zu 82%.¹⁷

Sicherheitsvorteile: Dielektrische Flüssigkeiten beschädigen Elektronik bei Leckagen nicht, im Gegensatz zu wasserbasierten Kühlmitteln.

Tauchkühlung

Vollständiges Eintauchen bietet die ultimative Lösung für Wärmedichte:

Einphasen-Tauchkühlung: Server werden in dielektrische Flüssigkeit getaucht, die Wärme durch Konvektion absorbiert. Kein Wasser erforderlich.

Zweiphasen-Tauchkühlung: Server werden in niedrigsiedende Flüssigkeit getaucht, die aktiv neben wärmeerzeugenden Komponenten siedet und extrem effiziente Kühlung bietet.

Adoption: Microsoft, Google und Meta haben alle Tauchkühlung für ihre Höchstdichte-KI-Trainingsinfrastruktur implementiert.

Wasserstrategien der Hyperscaler

Microsofts Weg zur Wasserneutralität

Microsoft hat sich verpflichtet, bis 2030 wasserpositiv zu werden – mehr Wasser wiederherzustellen als im globalen Betrieb verbraucht wird:¹⁸

Einsatz wasserfreier Kühlung: Geschlossene Chip-Level-Flüssigkeitskühlung eliminiert Verdunstungswasser vollständig. Derzeit in Phoenix, Arizona, und Mt. Pleasant, Wisconsin, getestet, mit erwartetem Betrieb 2026. Bis Ende 2027 wird wasserfreie Verdunstung zum Standard in neuen Rechenzentren.

Auswirkung auf Anlagen: Jede wasserfreie Anlage reduziert den jährlichen Verbrauch um mehr als 125 Millionen Liter im Vergleich zu Verdunstungsdesigns.

Wiederherstellungsprojekte: Wasserrestaurierungsprojekte in wassergestressten Gemeinden gleichen den Verbrauch bestehender Anlagen aus.

Leistung 2023: 7.844 Megaliter verbraucht, wobei 41% in wassergestressten Gebieten die Herausforderung der bestehenden Infrastruktur verdeutlichen.

Googles Wiederherstellungsverpflichtung

Google hat zugesagt, bis 2030 120% des verbrauchten Wassers wiederherzustellen:¹⁹

Betriebliche Effizienz: Verbesserung der Kühleffizienz in bestehenden Anlagen zur Reduzierung des Basisverbrauchs.

Wassereinzugsgebiet-Partnerschaften: Zusammenarbeit mit Gemeinden und Organisationen zur Wiederherstellung des Wasserverbrauchs und Verbesserung der Gesundheit von Wassereinzugsgebieten.

Technologieinvestitionen: Unterstützung der Wassersicherheit durch Technologie und Innovation über den direkten Betrieb hinaus.

Verbrauch 2023: 24.227 Megaliter – der höchste unter den großen Hyperscalern, was Googles Rechenzentrumsumfang widerspiegelt.

Metas Effizienzfokus

Meta hat sich bis 2030 zur Wasserneutralität mit Schwerpunkt auf betrieblicher Effizienz verpflichtet:²⁰

Baupraktiken: Verwendung von recyceltem Wasser für den Bau und Implementierung bewährter Praktiken zur Reduzierung des Bauwasserbedarfs.

Anlagenrecycling: Mehrfaches Recycling von Wasser innerhalb der Anlagen vor der Ableitung.

Betriebliche Effizienz: Rechenzentren machen den größten Teil von Metas Wasserverbrauch aus, wodurch betriebliche Verbesserungen der primäre Hebel sind.

Niedrigere Basis: 2.938 Megaliter in 2023 – deutlich weniger als Google oder Microsoft, was den unterschiedlichen Infrastrukturumfang widerspiegelt.

AWS' später Einstieg

AWS verpflichtete sich auf der re:Invent 2024 zur Wasserneutralität bis 2030:²¹

Adoption direkter Chip-Kühlung: AWS setzt Kühlplatten direkt auf Chips mit geschlossener Zirkulation ein und eliminiert Wasserverbrauchssteigerungen durch neue KI-Infrastruktur.

Entwickelte Flüssigkeiten: Verwendung speziell formulierter Kühlflüssigkeiten anstelle von Wasser, wodurch Verdunstungsverluste vollständig vermieden werden.

Gemeinschaftliche Wiederherstellung: Rückgabe von mehr Wasser an Gemeinden als der direkte Betrieb verbraucht.

Betriebliche Best Practices

Messung und Überwachung

Effektives Wassermanagement erfordert umfassende Messung:

Zählerinfrastruktur: Installation von Unterzählern für Kühltürme, Befeuchtungssysteme und alle anderen wasserverbrauchenden Geräte. Monatliche oder jährliche Aggregate liefern repräsentativere WUE als tägliche Momentaufnahmen.²²

Echtzeit-Überwachung: Verfolgung des Wasserverbrauchs zusammen mit Temperatur, Luftfeuchtigkeit und IT-Last zur Identifizierung von Optimierungsmöglichkeiten.

Baseline-Ermittlung: Dokumentation der aktuellen WUE vor der Implementierung von Verbesserungen, um die Auswirkungen genau zu messen.

Temperatur- und Feuchtigkeitsoptimierung

Die Anpassung von Umgebungsparametern reduziert den Wasserverbrauch:

Erhöhung der Temperatursollwerte: Ein

[Inhalt für Übersetzung gekürzt]