China nimmt windbetriebenes Unterwasser-Rechenzentrum vor Shanghai in Betrieb

Ein neues Modell für das Rechnen auf See

China hat die erste Ausbaustufe eines auf dem Meeresboden vor Shanghai errichteten Rechenzentrums in Betrieb genommen. Die Anlage soll Offshore-Windenergie mit Kühlung durch Meerwasser verbinden. Das von HiCloud gebaute Projekt startet mit einer Demonstrationsanlage mit 2,3 Megawatt Leistung, die auf 24 Megawatt ausgebaut werden soll. Sie liegt vor der Küste des Sondergebiets Lingang. Der Großteil des Stroms stammt aus nahe gelegenen Offshore-Windkraftanlagen; die Wärme wird abgeführt, indem Meerwasser um abgedichtete Serverkabinen geleitet wird. Die Baukosten belaufen sich auf etwa 1,6 Milliarden Yuan (rund 226 Millionen US-Dollar). Die Betreiber streben einen Wert der Energieeffizienzkennzahl PUE von höchstens 1,15 an. Damit wäre die Anlage eine der effizientesten ihrer Art.

Der Ansatz kehrt eine langjährige Einschränkung beim Bau von Rechenzentren um. Herkömmliche Anlagen nutzen Kältemaschinen und Kühltürme, die 40 bis 50 Prozent des Strombudgets eines Standorts verbrauchen können. Durch die stabile, kühle Umgebung am Meeresboden soll der Energiebedarf für die Kühlung der Unterwasseranlage auf weniger als 10 Prozent des Gesamtverbrauchs sinken. Die Planer schätzen, dass der Gesamtstrombedarf im Vergleich zu einer gleich großen Anlage an Land um etwa 22,8 Prozent zurückgeht. Zudem beansprucht der Standort mehr als 90 Prozent weniger Fläche und benötigt zur Kühlung kein Süßwasser. Beides sind wichtige Vorteile in dicht besiedelten Küstenstädten wie Shanghai.

Das Projekt baut auf mehrjährigen Versuchen in China auf. Vor der Insel Hainan hat HiCloud bereits eine kommerzielle Unterwasseranlage rund 35 Meter unter der Oberfläche installiert. Sie besteht aus druckfesten Kapseln, die jeweils 400 bis 500 Server aufnehmen. Die Kapseln sind miteinander verbunden und über ein Unterseekabel an das Festland angeschlossen. Diese Module gelten als Zwischenschritt zu einem größeren Verbund und sind Teil des nationalen Programms „Daten aus dem Osten, Rechenleistung aus dem Westen“, das Kapazitäten ausbauen und die Verteilung der Rechenleistung im Land ausgleichen soll.

Standort und Funktionsweise

Der Standort vor Shanghai liegt nahe dem Sondergebiet Lingang der Pilot-Freihandelszone China (Shanghai). Glasfaserverbindungen übertragen Daten zu den untergetauchten Modulen und von ihnen zurück. Diese sind am Meeresboden verankert, damit sie sich bei Stürmen möglichst wenig bewegen. Stromkabel verbinden die Anlage mit einem Offshore-Windpark, der mehr als 95 Prozent des Stroms liefert. Im ersten Betriebsabschnitt konzentriert sich das Projekt auf eine kompakte Anlage mit Platz für 198 Serverschränke. Weitere Kapseln können in der nächsten Phase hinzukommen.

Effizienzkennzahlen erklärt

Betreiber von Rechenzentren achten auf eine Kennzahl namens Power Usage Effectiveness (PUE). Sie gibt das Verhältnis zwischen dem Gesamtstromverbrauch einer Anlage und dem Strom an, der den IT-Geräten zur Verfügung gestellt wird. Ein theoretischer PUE-Wert von 1,0 würde bedeuten, dass jedes Watt in die Server fließt und keines für Kühlung oder sonstigen Betriebsaufwand benötigt wird. Chinas nationale Vorgaben sehen vor, dass neue Rechenzentren bis Ende 2025 einen PUE-Wert von unter 1,25 erreichen sollen. Für die Unterwasseranlage ist ein Wert von höchstens 1,15 vorgesehen. Damit läge sie auf dem Niveau der effizientesten Rechenzentren an Land, die moderne Kühl- und Energiemanagementsysteme nutzen, und deutlich unter dem Wert vieler älterer Anlagen, die noch über 1,4 liegen.

Kühlung und Energieverbrauch

Meerwasser kann viel Wärme aufnehmen und hat eine stabile Temperatur. Damit eignet es sich gut, um Abwärme abzuführen. Bei der Anlage in Lingang strömt Meerwasser an Wärmetauschern entlang, die an den Serverkabinen angebracht sind. Es nimmt die Wärme auf, die sich anschließend in der umgebenden Wassersäule verteilt. So lassen sich große Ventilatoren, Kältemaschinen und Verdunstungskühlung vermeiden, wie sie an Land zum Einsatz kommen. Da die Kapseln luftdicht verschlossen sind und auf stabilen Temperaturen gehalten werden, sind die elektronischen Bauteile zudem weniger Staub, Feuchtigkeitsschwankungen und Vibrationen durch Menschen und Geräte ausgesetzt. Solche Bedingungen können die Lebensdauer der Hardware verlängern und Ausfälle reduzieren. Das wurde auch bei früheren Unterwasserversuchen anderer Unternehmen berichtet.

Warum China das jetzt angeht

Der Rechenbedarf durch künstliche Intelligenz, Videos, E-Commerce und vernetzte Industrie steigt rapide. Für das Training und den Betrieb moderner KI-Modelle sind große, dicht bestückte Verbünde aus Grafik- und Tensorprozessoren nötig, die viel Strom verbrauchen und intensive Wärme erzeugen. Gleichzeitig müssen Kommunen mit strengeren Vorgaben zu Flächenverbrauch, Wasser und Emissionen umgehen. Ein Rechenzentrum vor der Küste kann bei all diesen Einschränkungen helfen. Das Ostchinesische Meer verfügt über gute Windressourcen. Entwickler verweisen auf mehr als 3.000 Stunden jährlicher Nutzung; zugleich bietet der Meeresboden für die Kühlung eine natürliche Temperaturstabilität.

Shanghai plant, bis zur Mitte dieses Jahrzehnts seine Kapazitäten für intelligentes Rechnen und die Industrieproduktion deutlich auszubauen. Bis 2027 sollen 200 ExaFLOPS Rechenleistung bereitstehen und eine intelligente Cloud-Industrie mit einem Volumen von mehreren hundert Milliarden Yuan entstehen. Werden Kapazitäten dort aufgebaut, wo Daten entstehen, und nahe gelegene erneuerbare Energiequellen genutzt, sinken Übertragungsverluste und Latenzzeiten für Nutzer an der Küste. Das ergänzt die nationale Strategie, einen Teil der Rechenlast in große Anlagen im Westen des Landes zu verlagern. Die Unterwasseranlage reduziert den Flächenbedarf und den Süßwasserverbrauch nahezu auf null und belastet die lokale Umwelt damit weniger als ein großes neues Rechenzentrum an Land.

Die Entwickler haben auch den Ausbau im Blick. HiCloud und Partner, darunter die Shenergy Group, die Shanghaier Niederlassung von China Telecom, INESA und CCCC Third Harbor Engineering, haben eine Vereinbarung unterzeichnet, um einen deutlich größeren Verbund anzustreben: Geplant sind 500 Megawatt Unterwasserkapazität, die mit Offshore-Windenergie betrieben werden. Damit könnte aus dem Demonstrationsprojekt eine gängige Option für den Ausbau der landesweiten Rechenkapazitäten werden.

Umwelt- und Meeresauswirkungen

Bei jedem Projekt, das Wärme ins Meer abgibt, muss die Ausbreitung der Wärmewolke kontrolliert werden. Wärmeres Wasser enthält weniger gelösten Sauerstoff und kann Meereslebewesen belasten, besonders im Sommer und während mariner Hitzewellen. Die Entwickler geben an, dass Messungen bei früheren Pilotprojekten einen Temperaturanstieg von weniger als einem Grad Celsius in den umliegenden Gewässern ergaben. Mit wachsender Kapazität wird eine kontinuierliche Überwachung jedoch unerlässlich sein. Diffusoren, eine intelligente Durchflussregelung, die in empfindlichen Zeiträumen heruntergeregelt wird, und eine sorgfältige Standortwahl fernab empfindlicher Lebensräume können dazu beitragen, die Auswirkungen gering zu halten.

Abgesehen von der Wärme müssen Ingenieure auch Lärm, elektromagnetische Felder rund um Strom- und Datenkabel sowie das Risiko berücksichtigen, dass Bauarbeiten oder Wartung benthische Ökosysteme stören. Bei Schutzmaßnahmen gegen Bewuchs an den Außenflächen der Kapseln sollten keine giftigen Beschichtungen zum Einsatz kommen. Auch der Korrosionsschutz muss so ausgelegt sein, dass das umliegende Wasser nicht verunreinigt wird. Die Behörden werden voraussichtlich detaillierte Umweltverträglichkeitsprüfungen, Bestandsaufnahmen und laufende öffentliche Berichte zu Wassertemperatur, Lärm und Meereslebewesen in der Nähe der Anlage verlangen. Bei strenger Aufsicht lassen sich die Einsparungen bei Energie und Wasser durch die Kühlung mit Meerwasser mit dem Schutz der lokalen Umwelt vereinbaren.

Sicherheit, Widerstandsfähigkeit und Wartung

Server auf den Meeresboden zu verlegen, bringt neue Risiken mit sich. Kabel und Kapseln können durch Anker, Fanggerät von Trawlern, Stürme oder gezielte Eingriffe beschädigt werden. Betreiber können einige Risiken durch Sperrzonen, eingegrabene oder gepanzerte Kabel, Sonarüberwachung und Alarmsysteme mindern, die ungewöhnliche Aktivitäten rund um den Standort erkennen. Forschende haben zudem darauf hingewiesen, dass Schalleinwirkungen in seltenen Fällen empfindliche Geräte beeinträchtigen könnten. Daher sind akustische Überwachung und eine robuste Abschirmung bei Planung und Betrieb wichtig.

Die Meeresumgebung kann zugleich die Zuverlässigkeit erhöhen. Die Kapseln sind abgedichtet, staubfrei und werden bei gleichbleibender Temperatur und Luftfeuchtigkeit gehalten. Das verringert Korrosion und mechanische Belastungen. Bei früheren Versuchen in anderen Ländern wurden deutlich niedrigere Hardware-Ausfallraten als in typischen Rechenzentren an Land verzeichnet. Stabile Bedingungen helfen dabei, Stromversorgung, Speicher und Verbindungen innerhalb enger Toleranzen zu betreiben. Das ist entscheidend für KI-Trainingscluster, die leistungsfähige Netzwerke benötigen.

Die Wartung verändert sich grundlegend. Ingenieure können nicht einfach in eine Unterwasserhalle gehen, um ein Bauteil auszutauschen. Das System muss modular aufgebaut sein. Fällt ein Serverschrank oder eine Stromversorgungseinheit aus, tauschen die Betreiber eine ganze Kapsel aus oder holen ein abgedichtetes Modul während eines geplanten Wartungsfensters an die Oberfläche. Bewuchs, Korrosion und Dichtungen bestimmen die Inspektionsintervalle. Entscheidend dafür, ob das Konzept auch in der Praxis zuverlässig funktioniert, sind eine schnelle Bergung und Wiedereinsetzung sowie klar definierte Schnittstellen und standardisierte Teile.

Wirtschaftlichkeit und Ausbau

Die Investitionskosten sind hoch. Eine Anlage im Wert von mehreren hundert Millionen Dollar umfasst Unterwasserkabinen, maritime Bauarbeiten, spezielle Stromversorgungs- und Kühltechnik sowie die Anbindung an einen Offshore-Windpark. Die Betriebskosten können jedoch attraktiv sein, wenn der PUE-Wert bei etwa 1,15 liegt und der Strom direkt von lokalen Windkraftanlagen stammt. Der größte Kostenfaktor eines modernen Rechenzentrums ist der Strom. Ein niedrigerer PUE-Wert bedeutet, dass mehr davon für Rechenleistung statt für den Betriebsaufwand genutzt wird. In Städten mit wenig verfügbarem Land und Wasser spielen auch die eingesparten Kosten für Grundstücke, Kühltürme und Wasserrechte eine Rolle.

Arbeiten vor der Küste bringen eigene Mehrkosten mit sich. Wetterbedingte Verzögerungen erhöhen die Kosten und erschweren die Planung. Versicherungen, Schiffe und spezialisierte Teams treiben die Preise nach oben. Mit zunehmender Erfahrung und Standardisierung könnten einige dieser Kosten sinken. Chinas Zulieferkette für Offshore-Windkraft ist gut ausgebaut, was sich günstig auf Preise und Zeitpläne auswirken kann. Erweist sich die Anlage in Lingang als zuverlässig und leicht zu warten, wird der Ausbau zusätzlicher Kapazitäten wirtschaftlicher. Partnerschaften mit großen Netzbetreibern und Energieunternehmen helfen außerdem, die Serverschränke mit zahlenden Kunden zu belegen und das Projekt mit der Netzplanung abzustimmen.

Vergleich mit früheren Versuchen

Unterwasser-Rechenzentren sind keine neue Idee. Vor zehn Jahren testete Microsoft mit dem Projekt Natick eine abgedichtete Stahlkapsel vor der Pazifikküste. Später brachte das Unternehmen eine 12 Meter lange Einheit mit 864 Servern vor den Orkney-Inseln zum Einsatz. Microsoft berichtete von sehr niedrigen Hardware-Ausfallraten, wozu vermutlich die stabile Umgebung und das mit Stickstoff gefüllte Innere beitrugen. 2024 beendete das Unternehmen das Forschungsprogramm und erklärte, das Konzept nicht kommerziell nutzen zu wollen. Das Vorhaben in Shanghai verfolgt einen anderen Ansatz: Es ist an einen Offshore-Windpark gekoppelt, strebt einen niedrigeren PUE-Wert an und ist Teil einer umfassenderen städtischen und nationalen Strategie zum Ausbau der Rechenkapazitäten.

Auch andere Unternehmen und Länder untersuchen Konzepte mit Kühlung durch Meerwasser oder Unterwasseranlagen. Start-ups haben kleine Module auf dem Meeresboden nahe der Küste vorgeschlagen; Forschungsgruppen in Südkorea, Japan und Singapur haben Kühlung und Standortwahl im Meer untersucht. An Land arbeiten Betreiber weiterhin an höherer Effizienz, etwa durch Flüssigkeitskühlung mit warmem Wasser, die Einspeisung von Abwärme in Fernwärmenetze und neue Chiparchitekturen mit geringerem Strombedarf. Das Modell mit Kühlung durch das Meer muss zeigen, dass seine Vorteile die der besten Alternativen an Land überwiegen, wenn sämtliche Kosten und Risiken berücksichtigt werden.

Was als Nächstes wichtig wird

Die Demonstrationsphase vor Shanghai wird belastbare Daten zu PUE-Wert, Zuverlässigkeit und Wartungsverfahren auf See liefern. Unabhängige Prüfungen der Energiebilanz und der Umweltbilanz werden wichtig sein, um Vertrauen in der Öffentlichkeit zu schaffen. Messungen der Wassertemperatur rund um die Auslässe, die Erfassung der Lärmpegel und Berichte über Beobachtungen von Meereslebewesen können zeigen, ob Anlagen im großen Maßstab mit den lokalen Ökosystemen vereinbar sind. Die Behörden können solche Offenlegungen zur Voraussetzung für Genehmigungen und deren Verlängerungen machen.

Zwei Etappen werden die Entwicklung in nächster Zeit prägen. Erstens muss der Ausbau von 2,3 auf die geplanten 24 Megawatt zeigen, ob sich Installation und Wartung reibungslos skalieren lassen. Zweitens kommt es auf die Fortschritte beim von den Entwicklern und ihren Partnern angekündigten Ziel von 500 Megawatt an. Dafür wären eine größere Fläche, mehr Windkraftanlagen und stärkere Netzanschlüsse nötig. Außerdem braucht es standardisierte Kapseln, klare Wartungsabläufe und Lieferketten, die Module schnell bereitstellen können. Bewährt sich das Modell in Shanghai, könnten ähnliche Küstenregionen mit guten Offshore-Windressourcen und knappen Landflächen folgen.

Die wichtigsten Punkte

• HiCloud hat vor Shanghai ein Rechenzentrum auf dem Meeresboden in Betrieb genommen. Die Demonstrationsanlage startet mit 2,3 Megawatt und soll auf 24 Megawatt ausgebaut werden.
• Mehr als 95 Prozent des Stroms stammen aus Offshore-Windenergie; die Kühlung erfolgt mit Meerwasser.
• Die Betreiber streben einen PUE-Wert von höchstens 1,15 an. Damit unterschreiten sie die nationale chinesische Vorgabe von 1,25 für neue Rechenzentren bis Ende 2025.
• Die Planer schätzen, dass der Gesamtstromverbrauch gegenüber einem vergleichbaren Standort an Land um etwa 22,8 Prozent sinkt. Der Energiebedarf für die Kühlung soll auf weniger als 10 Prozent des Gesamtverbrauchs zurückgehen.
• Das Projekt kostet rund 226 Millionen US-Dollar. Die erste Anlage kann in druckfesten Kapseln 198 Serverschränke aufnehmen.
• Bei früheren Versuchen in China wurden vor Hainan Kapseln in etwa 35 Metern Tiefe eingesetzt. Jede beherbergte 400 bis 500 Server und war über ein Unterseekabel mit dem Festland verbunden.
• Zu den Vorteilen zählen ein um mehr als 90 Prozent geringerer Flächenbedarf und der Verzicht auf Süßwasser zur Kühlung.
• HiCloud und seine Partner haben angekündigt, einen 500-Megawatt-Unterwasserverbund mit Strom aus Offshore-Windenergie anzustreben.
• Bei der Umweltaufsicht stehen Wärmeabgabe, Lärm und die Auswirkungen der Kabel auf Meereslebewesen im Mittelpunkt, besonders in warmen Zeiträumen.
• Frühere Unterwasserversuche im Ausland ergaben niedrige Hardware-Ausfallraten. Der Betrieb großer Anlagen auf See bringt jedoch weiterhin Herausforderungen bei Wartung, Sicherheit und Kosten mit sich.