Minder drinkwaterverbruik in datacenters

Datacenters spelen een cruciale rol in het draaiende houden van onze digitale samenleving. Ze opereren 24 uur per dag, 7 dagen per week, zodat servers continu betrouwbaar kunnen blijven functioneren. Om oververhitting te voorkomen, zorgen grote koelinstallaties voor de juiste temperatuur en luchtvochtigheid. Dit proces vraagt echter veel energie. Door innovatie probeert de sector het elektriciteits- en waterverbruik te verlagen, zodat het gebruik van grondstoffen in balans blijft.

Het verbeteren van koel efficiëntie is een belangrijk aandachtspunt voor datacenters. Veel datacenters kiezen ervoor om water te gebruiken om de energie efficiëntie te verhogen. Daarbij bestaat een afruil: koelen zonder water vraagt meer elektriciteit, terwijl watergebruik juist kan leiden tot een lager totaal elektriciteitsverbruik. Daarom verwerken veel datacenters water in hun koelsystemen.

Tegelijkertijd maken stijgende temperaturen en mogelijke watertekorten in de zomer duidelijk dat een watertransitie noodzakelijk is. De sector zoekt actief naar manieren om watergebruik te beperken en minder afhankelijk te worden van drinkwater. In deze whitepaper, aangeboden door de Dutch Data Center Association en Pathema (expert in circulair koelwater), verkennen we die watertransitie binnen de datacentersector.

‍

Feiten en cijfers

Een van de belangrijkste functies van een professioneel datacenter is het handhaven van de juiste temperatuur in de ruimten waar servers draaien. Servers produceren grote hoeveelheden warmte en daarom worden verschillende koeltechnieken ingezet om die warmte af te voeren.

Deze koeltechnieken zijn de afgelopen jaren enorm efficiënter geworden en vragen steeds minder elektriciteit en water. Tegelijk zijn die twee sterk met elkaar verbonden: gemiddeld leidt hoger waterverbruik tot lager elektriciteitsverbruik, en andersom. Een modern datacenter gebruikt slechts 15 tot 20 procent van zijn totale elektriciteitsverbruik voor facilitaire voorzieningen zoals koeling. De rest is nodig om de servers te laten draaien.

Een manier om energie efficiëntie te verhogen is door water toe te passen in het koelproces. Op warme dagen (boven ongeveer 25 graden Celsius), en alleen wanneer free cooling niet voldoende is, voegen datacenters water toe aan het proces. Er is dus altijd een balans tussen water en energie: koelen zonder water vraagt meer elektriciteit, terwijl meer watergebruik het totale elektriciteitsverbruik juist kan verlagen.

Het rapport State of the Dutch Data Center (SODD, 2024) laat zien dat het merendeel van de colocatie datacenters in Nederland (79 procent) op warme dagen afhankelijk is van drinkwater voor koeling. Steeds vaker gebruiken datacenters grijs water voor koeling (21 procent), dat zij zelf filteren en zuiveren (2023: 9 procent). Een rapport van het Nederlandse Ministerie van Economische Zaken (State of the Digital Infrastructure, 2024) toont aan dat momenteel ongeveer 1 megaton drinkwater wordt gebruikt voor de koeling van servers. Dit is 0,088 procent van het totale drinkwatergebruik in Nederland (CBS).

‍

Lokale regelgeving

Nederlandse milieuregels besteden veel aandacht aan het beperken van afvalstromen en de uitstoot van stoffen naar water. De Omgevingswet is de wet die alles regelt voor de ruimte waarin we leven en werken: de leefomgeving. Deze wet bundelt en vereenvoudigt regels voor alles wat je buiten ziet, hoort en ruikt. De wet is van toepassing op alle Nederlandse inwoners, organisaties en bedrijven. De Omgevingswet is in werking getreden op 1 januari 2024 en bevat een speciaal hoofdstuk waarin alle regels rondom water worden samengevat.

‍

Verdringingsreeks

Zoals eerder genoemd zorgt watergebruik voor koeling vaak voor een lagere elektriciteitsvraag. Maar door steeds warmere zomers neemt de kans op drinkwatertekorten toe. Juist in warme perioden is water nodig om datacenters te koelen.

Door een prioriteitssysteem van de Nederlandse overheid, de verdringingsreeks, is het niet zeker dat datacenters tijdens droogte altijd toegang blijven houden tot het drinkwaternet. Dit systeem is bedoeld om schaarste te verdelen op basis van maatschappelijke behoeften. Dat betekent dat sectoren met een lagere prioriteit, zoals datacenters, bij waterschaarste mogelijk geen drinkwater meer ontvangen.

‍

Watergebruik verminderen en verduurzamen

Datacenters gebruiken water vooral voor koeling en bevochtiging, om optimale bedrijfsomstandigheden te waarborgen voor gevoelige IT apparatuur. Koelsystemen voorkomen dat apparatuur oververhit raakt en uitvalt. Dit gebeurt via verschillende methoden, zoals chillers, koeltorens en adiabatische economizers, waarbij vaak aanzienlijk water wordt gebruikt. Bevochtigingssystemen houden de luchtvochtigheid op peil, zodat statische elektriciteit wordt voorkomen. Statische elektriciteit kan apparatuur beschadigen. Dit gebeurt door vocht toe te voegen of juist uit de lucht te halen. Daarnaast wordt water indirect gebruikt bij de elektriciteitsproductie die datacenters nodig hebben.

Om waterverbruik te verminderen kunnen datacenters verschillende strategieën toepassen, zoals:

• waterverbruik meten en analyseren en WUE (Water Usage Effectiveness) als KPI gebruiken
• water hergebruiken via recirculatie
• regenwater opvangen
• experimenteren met technieken zoals gerichte koeling en AI optimalisatie
• overstappen op moderne koelsystemen
• nieuwe datacenters bouwen in koudere klimaten
• verliezen van koelwater voorkomen
• alternatieve koelmethoden en waterbronnen onderzoeken, zoals zeewater

Ook deelname aan water aanvulprogramma’s en samenwerking met lokale gemeenschappen om in waterbesparing te investeren, kan de beschikbaarheid van water vergroten. De klimaatcrisis maakt het noodzakelijk dat alle datacenters hun waterverbruik beperken en overstappen naar duurzamere infrastructuur, oftewel green data centers, om wereldwijde duurzaamheidsdoelen te halen en klimaatimpact te verminderen.

‍

Ontwerpoverwegingen

Bij het plannen van nieuwe datacenters is locatie de meest kritische factor om lokale waterstress niet te verergeren.

Datacenters kunnen watergebruik sterk verminderen door:

• locaties te kiezen met voldoende waterbeschikbaarheid
• gezuiverd en hergebruikt stedelijk afvalwater te gebruiken in plaats van drinkwater
• regenwateropvangsystemen te integreren

Ook kan situering nabij rioolwaterzuiveringsinstallaties of het toepassen van geavanceerde afvalwaterzuivering helpen om minder grondwater of oppervlaktewater te hoeven onttrekken.

Datacenters kunnen hun water efficiëntie verder verhogen door:

• samenwerking met nabijgelegen industrie die lozingswater kan hergebruiken
• slimme wateropslag toe te passen
• investeren in lokale watersystemen (watersheds) om natuur en biodiversiteit te herstellen
• stakeholders vroeg te betrekken
• technieken uit andere industrieën te gebruiken
• continu te monitoren en onderhoud goed te borgen

Deze gecombineerde maatregelen helpen datacenters om niet alleen minder bij te dragen aan waterstress, maar ook actief onderdeel te worden van de oplossing.

‍

Overstap naar water positief

Een sterk voorbeeld is de overstap naar regenwater op de hyperscale campus in Middenmeer. Daar start ECW Energy met een systeem dat opgevangen en geïnfiltreerd regenwater hergebruikt als koelwater voor Microsoft datacenters, en als irrigatiewater voor lokale glastuinbouw.

Hierdoor hoeven de datacenters geen drinkwater meer te gebruiken voor koeling. In dit geval “produceren” de datacenters uiteindelijk meer water dan ze zelf gebruiken. Zo worden zij water positief.

‍

De 3 stappen naar chemievrij en circulair koelwater

Koeling in datacenters is het meest efficiënt via waterverdamping. Maar dit kan leiden tot:

• kalkaanslag
• corrosie
• microbiologische groei

Traditioneel worden deze problemen bestreden met chemicaliën. Maar chemicaliën vervuilen het water waardoor het niet langer bruikbaar of herbruikbaar is. Dit vervuilde water moet worden geloosd, vaak tegen hoge kosten, en het beïnvloedt de leefomgeving. Water als lineaire grondstof beschouwen is kostbaar en eindig. Bovendien verspillen we daarmee schoon drinkwater.

Elke situatie is anders, maar koelen kan altijd zonder of met veel minder chemicaliën. Daarom is het belangrijk dat datacenters en de industrie overstappen naar chemievrije en circulaire koeling. De Nederlandse overheid heeft de technologie achter de Industrial Vortex Generator (hierover later meer) aangemerkt als Best Available Technology.

Chemievrije en circulaire koelwaterbehandeling bestaat uit drie stappen:

1. Prefiltratie van koelwater
2. Behandeling van koelwater
3. Terugwinning en hergebruik

In dit hoofdstuk gaan we daar dieper op in. De oplossing van Pathema kan het watervoetafdruk verminderen tot 40 procent en het waterverbruik reduceren tot 95 procent. Om koelwater zo circulair mogelijk te maken, moeten we kijken naar andere waterstromen dan drinkwater, zoals oppervlaktewater, regenwater en afvalwater. Hiervoor zijn Activated Filter Media (AFM) en Membrane Prefiltration (MPF) nodig.

‍

1. Prefiltratie van koelwater

‍

Activated Filter Media (AFM)

Om koelwater zo circulair mogelijk te gebruiken, moeten we kijken naar alternatieven voor drinkwater. Oppervlaktewater, regenwater en afvalwater zijn goede alternatieven. Voordat deze waterstromen geschikt zijn voor het koelwaterproces, moeten ze worden gefilterd.

Daarvoor kan Activated Filter Media worden gebruikt. AFM wordt volledig gemaakt uit gerecycled glas en is daarmee een ecologisch product. Het garandeert uitstekende waterkwaliteit terwijl zo weinig mogelijk drinkwater wordt gebruikt. AFM gaat langer dan 20 jaar mee en vermindert de watervoetafdruk.

‍

Membrane Prefiltration (MPF)

Deze techniek ontzout en filtert vrijwel volledig andere (opgeloste) componenten, zoals organisch materiaal en kleurstoffen, uit het water. Zo wordt bijvoorbeeld corrosieve verharding in geconcentreerd koelwater voorkomen. Dit kan met technieken zoals ultrafiltratie, nanofiltratie en reverse osmosis.

‍

2. Behandeling van koelwater

‍

De hoogwaardige Vortex (IVG) koelwateroplossing maakt het voor watergebruikers mogelijk om 100 procent chemievrij en circulair te koelen.

Met Spinning Disk Filtration (SDF) wordt het koelwater continu gefilterd. Daarna maakt Ultra Violet Type C Radiation (UV C) micro organismen onschadelijk. Vervolgens desinfecteert PADES het water via elektrolyse.

‍

Industrial Vortex Generator (IVG)

Om microbiologische groei, kalkaanslag en metaalcorrosie te beheersen moet water in koeltorens worden behandeld.

In de Industrial Vortex Generator vinden drie processen plaats:

• kristallisatie van mineralen
• verwijderen van ongebonden gassen, zoals microbellen
• bestrijden van microbiologische groei door beschadiging van de celwand

Oplosbare vormen van calcium (zoals calcium(bi)carbonaat) worden omgezet in calciet en aragoniet. Door cavitatiekrachten ontstaan kristallen die zich niet hechten aan leidingen, sproeiers, warmtewisselaars of andere oppervlakken. IVG verlaagt de viscositeit met 12 tot 20 procent en verbetert de warmteoverdracht met 3 tot 5 procent, voor optimale koeling.

‍

Spinning Disk Filtration (SDF)

Spinning Disk Filtration filtert het koelwater continu in een recirculatielus met een flow van 40 tot 50 m3 per uur. SDF filtert met snel roterende bewegingen om het aantal zwevende deeltjes in het koelwater zo laag mogelijk te houden. Dit verhoogt de capaciteit van de UV C reactor en verlaagt de kans op microbiologische groei. SDF verwijdert schurende deeltjes uit het water, verlengt de levensduur van materialen en pompen, en voorkomt bezinking en verstoppingen in leidingen en warmtewisselaars.

‍

Ultra Violet Type C Radiation (UV C)

Waar water wordt gebruikt kan biofilm ontstaan. Schimmels, gisten en bacteriën in biofilms vormen een risico voor gezondheid en veiligheid. UV C is onzichtbare straling met een golflengte tussen 100 en 280 nanometer. Straling in dit bereik beschadigt het DNA van micro organismen. UV C neutraliseert micro organismen en voorkomt dat zij zich kunnen voortplanten.

‍

Pathema Desinfect (PaDes)

In grote koelwatersystemen is het nodig om naast IVG en UV C ook een desinfectiemiddel toe te voegen. Het PaDes systeem (PAthema DESinfect) desinfecteert het water door elektrolyse, zonder chemicaliën toe te voegen. Het behandelde water bevat vrij chloor, geproduceerd uit het chloride dat al in het koelwater zit, of uit keukenzout. Zo blijven leidingen, wisselaars en het koelwaterbassin vrij van vervuiling zoals bacteriën en biofilm. Zoutelektrolyse werkt door opgelost zout met behulp van laagspannings-gelijkstroom om te zetten in tijdelijk chloor. Nadat het vrije chloor zijn desinfecterende werking heeft gedaan, wordt het weer omgezet naar opgelost chloride en zuurstof.

‍

3. Terugwinning en hergebruik

‍

Het hergebruiken van zoveel mogelijk water is niet ingewikkeld. Dit geldt ook voor spuivaten via Blowdown Water Recovery (BWR). Alle technologie in dit rapport kan eenvoudig worden onderhouden met Remote Monitoring and Assistance (RMA), wereldwijd. Clean in place (CIP) is een methode om binnen oppervlakken van leidingen, vaten, procesapparatuur, filters en appendages te reinigen zonder demontage.

‍

Blowdown Water Recovery (BWR)

Afval bestaat niet. Daarom kunnen datacenters zoveel mogelijk hergebruiken, inclusief lozingswater. Door water grondig te filteren kan tot 94 procent worden teruggewonnen van wat eerder als afval werd gezien. Het lozingswater wordt opgevangen in een waterbassin in plaats van in het riool te verdwijnen. Vervolgens kan het water gefilterd worden: eerst de vaste deeltjes, daarna opgeloste stoffen. Na deze stappen kan het teruggewonnen water opnieuw worden ingezet als suppletiewater. Zo wordt het gerecycled als koelwater.

‍

Remote Monitoring and Assistance (RMA)

RMA neemt de dagelijkse verantwoordelijkheden voor onderhoud en reparatie uit handen, zodat je kunt focussen op wat echt belangrijk is. Met Remote Monitoring and Assistance kan de infrastructuur van de installatie eenvoudig worden beheerd, overal ter wereld. Daarnaast verkleint RMA de kans op downtime aanzienlijk door 24/7 monitoring van koelwater en hardware.

‍

Clean in place (CIP)

CIP is een methode om oppervlakken van leidingen, vaten, procesapparatuur, filters en koppelingen te reinigen zonder demontage.

Voordelen van CIP:

• sneller reinigen
• minder arbeidsintensief
• beter reproduceerbaar
• minder risico op blootstelling aan chemicaliën, dus veiliger

CIP is geïntegreerd in een volledig automatisch systeem. Op basis van metingen bepaalt het systeem de efficiëntie van de installatie. Wanneer CIP nodig is, plant het systeem automatisch het beste moment. Dankzij buffertanks blijft continue productie mogelijk, zelfs tijdens CIP.

‍

Plug and play

Voor flexibiliteit en ontwerpvrijheid kunnen deze installaties in één of meerdere zeecontainers worden geplaatst. De container(s) worden op locatie neergezet. Aansluitingen voor leidingwerk, stroom en toegang zijn vooraf vervaardigd volgens wens. Ook waterbuffers, tanks en CIP systemen kunnen volledig in het ontwerp worden geïntegreerd, zodat de aanpassingen op locatie minimaal blijven. Circulaire koelwaterbehandeling is een alternatief voor het huidige lineaire model: Take, Make and Waste. De sector kan stappen zetten richting Reduce, Re use and Recycle.

‍

Voorbeeld uit de industrie

Pathema installeerde de Industrial Vortex Generator (IVG) bij een Nederlands datacenter. Na installatie van het IVG systeem reduceerde het datacenter zijn drinkwaterverbruik met meer dan 35 procent (van 95 m3 per uur naar 62 m3 per uur). Daarnaast werd een CO2 emissiereductie van meer dan 83 procent gerealiseerd. Zelfs tijdens een langdurige hittegolf kon de operatie normaal doorgaan terwijl de installatie stabiel bleef draaien. Dit maakte watermanagement beter beheersbaar en leverde substantiële besparingen op. Als het datacenter ook alternatieve waterbronnen had gebruikt, zoals oppervlaktewater en afvalwater, dan had het drinkwaterverbruik met 95 procent kunnen dalen. En dat terwijl nog steeds de energie efficiënte verdampingskoeling kon worden toegepast.

‍

Over de Dutch Data Center Association (DDA)

De Dutch Data Center Association (DDA) is de branchevereniging van datacenters in Nederland. De DDA verenigt leidende datacenters in Nederland met een gezamenlijke missie: het versterken van economische groei en het profileren van de datacentersector richting overheid, media en maatschappij. De DDA vertegenwoordigt de sector op het gebied van wet en regelgeving en laat leiderschap zien door leden te ondersteunen bij operationele verbeteringen via best practices. De DDA stimuleert onderwijs en draagt bij aan technische standaarden, waardoor de Nederlandse (en internationale) datacenterindustrie zich verder kan onderscheiden. De DDA werkt nauw samen met Digital Gateway to Europe, dat Nederland promoot als internationale digitale hub. Daarnaast werkt de DDA samen met marktpartijen, de overheid en andere stakeholders. Ook werkt de DDA actief samen met Europese brancheverenigingen om de digitale infrastructuursector als geheel te versterken en is zij lid van VNO NCW, de grootste werkgeversorganisatie in Nederland.

‍

Over Pathema

Pathema is expert in circulair koelwater en levert sinds 2008 circulaire en chemievrije koelwateroplossingen. “Onze koelwateroplossing haalt alle complexiteit weg, is volledig veilig en voorkomt kalkaanslag, corrosie en microbiologische groei.” Wereldwijd draaien inmiddels meer dan 100 koelwaterinstallaties met Pathema technologie. De missie van Pathema is om deze watertransitie rigoureus eenvoudig te maken. “Voor velen klinkt onze oplossing te mooi om waar te zijn. Maar dat is zij zeker niet. Daarom bewijzen we het graag. We hebben een grote passie voor impact. We willen resultaten, besparingen en prestaties laten zien die aantonen dat onze oplossing werkt. En omdat circulariteit onze grootste droom is, gaat onze drive voor impact vanzelf verder. We willen bijdragen aan een betere wereld, niet alleen met onze producten, maar ook door de manier waarop we werken. Een wereld waarin industrie en natuur in harmonie samenwerken.” Met deze technologie wil Pathema een watergebruiker en vervuiler transformeren tot een waterproducent, via de kracht van de natuur. Take, Make and Waste maken plaats voor Re use, Reduce and Recycle.

• Reduce: Prefiltratie
  Door de juiste prefiltratie garanderen we uitstekende waterkwaliteit, met zo weinig mogelijk drinkwater. Dit verlaagt je watervoetafdruk.
• Re use: Koelwaterbehandeling
  Onze hoogwaardige IVG CT koelwateroplossing maakt het eenvoudig om 100 procent chemievrij en circulair te koelen.
• Recycle: Terugwinning en support
  Door water grondig te filteren kunnen we minimaal 85 procent terugwinnen van wat eerder als afval werd beschouwd.

‍