Künstliche Intelligenz (KI) treibt ein beispielloses Wachstum sowohl in der Halbleiterfertigung als auch in Hochleistungsrechenzentren voran. Weniger sichtbar als der steigende Strombedarf ist eine weitere Herausforderung, die das gesamte KI-Ökosystem umfasst: Wasser. Die Exyte-Experten Hartmut Schneider und Manfred Engelhard erläutern, warum Wasser entlang der KI-Wertschöpfungskette zu einer strategischen Ressource wird und wie technische Lösungen Betreibern helfen können, Wassereinsparung und Energieeffizienz in Einklang zu bringen.

 

Die Nachfrage nach KI-Chips und Rechenkapazität beschleunigt sich. Halbleiterfabriken benötigen große Mengen an Reinstwasser (UPW) für Fertigungsprozesse. KI-Rechenzentren sind auf Kühlsysteme angewiesen, um die von schnell wachsenden Rechenlasten erzeugte Wärme abzuführen. Gleichzeitig zeigen Klimamodelle, dass Regionen mit Wasserstress immer häufiger werden, wodurch ein nachhaltiges Wassermanagement für neue Anlagen zunehmend an Bedeutung gewinnt. 
 

KI treibt den Wasserbedarf von der Produktion bis zum Betrieb 


Die wachsende Nachfrage nach KI beginnt lange bevor ein Chip ein Rechenzentrum erreicht. Die Herstellung integrierter Schaltkreise (IC) erfordert naturgemäß Reinstwasser für Halbleiterfertigungsprozesse wie Nassreinigung, Nassätzen und chemisch-mechanische Planarisierung (CMP). Der Wasserbedarf steigt weiter, je kleiner die Technologieknoten werden und je höher die Fertigungskomplexität ist. Fortschrittliche Packaging-Technologien fügen zusätzliche Prozessschritte hinzu und erhöhen den Wasserverbrauch weiter. Branchenprognosen deuten darauf hin, dass die weltweiten Kapazitäten in der Halbleiterfertigung bis zum Ende des Jahrzehnts weiterhin stark wachsen werden, wobei ein großer Teil dieses Wachstums mit KI-Anwendungen verbunden ist.  

Für Hartmut Schneider, Senior Director Technology Management Semiconductor, muss das Wassermanagement frühzeitig in der Anlagenplanung berücksichtigt werden, um Wassereinsparungen mit dem Energiebedarf in Einklang zu bringen.

„Der Großteil des Kapazitätswachstums wird KI-basiert sein, was den Wasserbedarf pro Wafer erhöht“, sagt Hartmut Schneider, Senior Director Technology Management Semiconductor bei Exyte. Das Unternehmen beobachtet diesen Trend bei Halbleiterprojekten weltweit und arbeitet mit Kunden zusammen, um wirksame Strategien zur Reduzierung des Frischwasserverbrauchs während der Planung, des Baus und des Betriebs von Anlagen zu bewerten. 

 

Wasserrückgewinnung macht aus einer Herausforderung eine Chance 

Die Branche fängt nicht bei null an. Es gibt bereits mehrere Technologien, um den Frischwasserverbrauch in Halbleiteranlagen zu reduzieren. Laut der Analyse von Exyte können Best-in-Class-Fabs durch fortschrittliche Konzepte zur Abwasserrückgewinnung Rückgewinnungsraten von über 85 Prozent erreichen. Da die KI-getriebene Nachfrage weiter wächst, wird die Verbesserung der Wasserleistung Investitionen in bestehende Wafer-Fabs sowie die Umsetzung der höchstmöglichen Rückgewinnungsraten in neuen Anlagen erfordern.  

„Um solche Wasserrückgewinnungsraten durch fortschrittliche Aufbereitungs- und Recyclingkonzepte zu erreichen, besteht die Herausforderung darin, zu bestimmen, welche Kombination von Technologien das richtige Gleichgewicht zwischen Wassereinsparungen und dem Energieaufwand zu ihrer Erzielung bietet“, sagt Schneider. 

Strategien zur Wasserrückgewinnung können die Trennung von Abwasserströmen, die Wasserrückgewinnung am End-of-Pipe (EOP), Zero-Liquid-Discharge-(ZLD)-Systeme, Solemanagement zur Rückgewinnung von Wasser aus konzentrierten Abfallströmen sowie Aufbereitungstechnologien für neuartige Schadstoffe umfassen. Die optimale Lösung hängt von standortspezifischen Bedingungen und Projektanforderungen ab. 

Hier unterstützt Exyte seine Kunden während des gesamten Projektlebenszyklus. Als globales EPC-Unternehmen für die Realisierung fortschrittlicher Halbleiterfertigungsanlagen hilft Exyte seinen Kunden, Wasserrückgewinnungsstrategien für neue und bestehende Fabs zu bewerten, um vor der Umsetzung den am besten geeigneten Ansatz zu identifizieren. 

„Wassermanagement muss frühzeitig in der Anlagenplanung berücksichtigt werden.  Eine frühe Planung hilft Betreibern, die Auswirkungen verschiedener Rückgewinnungskonzepte auf Wasserverbrauch und Energiebedarf zu verstehen, bevor mit dem Bau begonnen wird“, ergänzt Schneider. 
 

KI-Rechenzentren stehen vor einer eigenen Wasserherausforderung 

Die Diskussion über KI-Infrastruktur konzentriert sich oft auf den Stromverbrauch. Wasser wird jedoch ebenso wichtig, da die Rechendichten weiter steigen. Es wird prognostiziert, dass KI-Workloads den Großteil des künftigen Wachstums der Nachfrage nach Rechenzentren ausmachen werden, was den Kühlbedarf für Einrichtungen der nächsten Generation erheblich erhöht. 

Manfred Engelhard betrachtet den Zielkonflikt zwischen Wasser- und Energieverbrauch als einen entscheidenden Aspekt bei der Planung der nächsten Generation von KI-Rechenzentren.

„Ohne verbesserte Technologien zur Wärmeabfuhr könnte der Kühlwasserverbrauch in Rechenzentren weltweit bis 2030 550 Milliarden Liter übersteigen“, sagt Manfred Engelhard, Senior Director Technology Management Data Centers bei Exyte.

Steigende Leistungsdichten in KI-Servern erzeugen mehr Wärme, wodurch fortschrittliche Kühltechnologien unverzichtbar werden. Je nach Standort und Betriebsanforderungen können Betreiber zwischen Nasskühltürmen, hybriden Trockenkühlern (HDCs) oder luftgekühlten Kältemaschinen (ACCs) wählen. Jede Option bietet ein anderes Verhältnis zwischen Wasserverbrauch und Energieverbrauch. Nasskühlung bietet eine hohe Energieeffizienz, verbraucht jedoch erhebliche Mengen Wasser, während luftgekühlte Systeme den Kühlwasserbedarf vollständig eliminieren können, allerdings bei höherem Stromverbrauch. Hybride Trockenkühlung bietet einen Mittelweg, reduziert den Wasserbedarf deutlich und gewährleistet zugleich eine günstige Energieeffizienz.  

„Es gibt keine Einheitslösung. Das effektivste Kühlkonzept hängt von den lokalen Bedingungen ab, darunter Klima, Wasserverfügbarkeit und Energieinfrastruktur“, sagt Engelhard. „In wasserarmen Regionen kann die Reduzierung des Wasserverbrauchs zum primären Planungsziel werden, während andere Standorte die Energieeffizienz priorisieren. Wasserlose Kühlung von Rechenzentren ist nicht nur möglich, sondern an manchen Standorten bereits üblich. Lokale Vorschriften, zum Beispiel in Frankfurt am Main, Deutschland, schreiben Trockenkühlungstechnologien vor.“ 
 

Der Zielkonflikt zwischen Wasser und Energie 

Das Frankfurter Beispiel verdeutlicht eine Herausforderung, die in Diskussionen über nachhaltige Infrastruktur oft übersehen wird. Wassereinsparungen erfordern häufig zusätzliche Energie, während die Maximierung der Energieeffizienz einen höheren Wasserverbrauch erfordern kann. Dieser Zielkonflikt spiegelt auch die wachsende Bedeutung sektorübergreifender Lösungen wider, bei denen Infrastruktursysteme als miteinander verbunden betrachtet werden, anstatt sie isoliert zu optimieren.  

„Es gibt keine universelle Kühllösung. Die Reduzierung des Wasserverbrauchs erhöht häufig den Energiebedarf, was bedeutet, dass Betreiber beide Ressourcen und ihre Kosten zusammen betrachten müssen – sowohl auf finanzieller als auch auf gesellschaftlicher Ebene –, anstatt eine davon isoliert zu optimieren“, ergänzt Engelhard. 

Dasselbe Prinzip gilt für Halbleiteranlagen. Höhere Wasserwiederverwendungsraten erfordern häufig fortschrittlichere Aufbereitungssysteme, die zusätzliche Energie verbrauchen. Die Frage lautet daher nicht länger, wie sich der Wasser- oder Energieverbrauch unabhängig voneinander minimieren lässt, sondern wie sich beides unter den spezifischen Bedingungen einer Anlage optimal gestalten lässt. 
 

Engineering für eine resilientere Zukunft 

Nach Ansicht von Schneider und Engelhard werden zukünftige Projekte im Bereich digitaler Infrastruktur Wasser und Energie zunehmend gemeinsam betrachten müssen, statt als getrennte Herausforderungen. Es wird erwartet, dass KI die Nachfrage nach Halbleiterfabriken und Rechenzentren weiter antreibt und damit den Druck auf natürliche Ressourcen und Versorgungsinfrastrukturen erhöht.  

Bewährte Lösungen existieren bereits. Strategien zur Wasserwiederverwendung können den Frischwasserbedarf in Halbleiteranlagen erheblich senken, während fortschrittliche Kühlkonzepte den Wasserverbrauch in Rechenzentren reduzieren können. Entscheidend ist, für jeden Standort den richtigen Ansatz zu wählen und diese Entscheidungen frühzeitig in die Projektentwicklung zu integrieren. 

Für Exyte ist Wasserresilienz damit nicht nur ein Umweltaspekt, sondern auch eine technische Herausforderung. Während Kunden weltweit ihre Kapazitäten in der Halbleiterfertigung und KI-Infrastruktur ausbauen, wird die Fähigkeit, Wassereinsparung und Energieeffizienz in Einklang zu bringen, zu einem immer wichtigeren Erfolgsfaktor für Projekte. Exyte unterstützt Kunden mit Engineering-Studien und Technologiebewertungen dabei, das am besten geeignete Gleichgewicht zwischen Wasserverbrauch und Energiebedarf zu identifizieren. 
 

Über die Experten 

Hartmut Schneider ist Senior Director Technology Management Semiconductor bei Exyte und spezialisiert auf Halbleiterprozesstechnologien, Anlagendesign und Fertigungsinfrastruktur. 

Manfred Engelhard ist Senior Director Technology Management Data Centers bei Exyte und konzentriert sich auf fortschrittliche Kühlkonzepte, Energieeffizienz und die Entwicklung von Rechenzentrumsinfrastruktur. 
 

Kontaktieren Sie uns 

Möchten Sie mehr über Strategien zur Wasserwiederverwendung für Halbleiterfabriken oder Kühlkonzepte für KI-Rechenzentren erfahren? Die Experten von Exyte können dabei helfen, projektspezifische Anforderungen zu bewerten und den am besten geeigneten Ansatz zu identifizieren, um Wassereinsparung und Energieeffizienz in Einklang zu bringen.  
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