Green IT & PUE:

Energieeffizienz im Rechenzentrum

17.11.2020 | Redundante Stromversorgung, ständige Regulierung der Luftfeuchtigkeit und eine Kühlung, die in den Sommermonaten Höchstleistungen vollbringen muss – so sieht der Energiealltag in einem Rechenzentrum aus. Angesichts des hohen Energiebedarfs moderner Data Center ist es deshalb umso wichtiger, von Anfang an intelligent zu planen, um einen möglichst ressourcenschonenden und effizienten Betrieb gewährleisten zu können.

Green IT in der Praxis

Alle reden von Green IT, doch nur die wenigsten wissen, was sich konkret dahinter verbirgt. Das Bundesamt für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit (BMU) fasst den Begriff Green IT folgendermaßen zusammen: „Unter Green IT sind umweltverträgliche Produkte und Dienstleistungen der Informations- und Kommunikationstechnik (IKT) sowie der Nutzung von IKT zur Umweltschonung zu verstehen. Dies umfasst die Berücksichtigung des gesamten Lebenswegs von IKT-Produkten sowie deren Auswirkungen auf das Klima und andere Umweltwirkungen, wie zum Beispiel die Inanspruchnahme kritischer Rohstoffe.“

2017 betrug der gesamte Stromverbrauch für Informations- und Kommunikationstechnik in Deutschland laut BMU rund 58,4 Terawattstunden (TWh) und damit zwei Prozent des gesamten Stromverbrauchs des Landes. Die fortschreitende Digitalisierung unserer Gesellschaft und damit einhergehende neue Technologien wie Künstliche Intelligenz (KI) oder Blockchain sorgen dafür, dass der Energiebedarf für Rechenzentren weiter steigt. Besonders aufgrund der hohen Nachfrage nach Rechenleistung gehen Experten davon aus, dass der Verbrauch bis 2025 um mehr als 60 Prozent steigen wird.

Vor dem Hintergrund des Klimawandels müssen sich Unternehmen ihrer Verantwortung bewusstwerden, ressourcenschonend zu agieren.

Das belegt auch die Studie „Multitenant data centres and sustainability: ambitions and reality“, die 451 Research im Auftrag von Schneider Electric durchgeführt hat: 57 Prozent der über 800 befragten RZ-Dienstleister weltweit sehen in Nachhaltigkeit einen Wettbewerbsfaktor. „In dem Maße, wie die globale Rechenzentrumsinfrastruktur als Reaktion auf die höhere Nachfrage nach digitalen Diensten zunimmt, wächst auch das Interesse an den erheblichen Auswirkungen auf die Umwelt“, wird Daniel Bizo, Senior Research Analyst bei 451 Research, Teil von S&P Global Market Intelligence, in der Pressemeldung zitiert.

Was viele Unternehmer und Entscheider aber gar nicht wissen: Wie viel Strom verbraucht mein Rechenzentrum? Kaum ein Unternehmen hat die Messtechnik installiert, die ein klares Bild über die Effizienz seines Rechenzentrums geben würde. Wie ressourcenschonend dabei eine IT-Anlage läuft, hängt davon ab, wie viel Strom in die Umsysteme (Licht, Klima, USV) und wie viel Strom wirklich direkt in die IT-Geräte fließt. Dazu später mehr.

Wie sieht die Realität in deutschen Unternehmen aus?

Die LEITWERK AG erstellt im Rahmen ihrer Betreuungsverträge jedes Jahr zahlreiche IST-Analysen. Dabei fällt den IT-Experten eines auf: Für die Mehrheit der Unternehmen spielt der Energieverbrauch in ihren eigenen Rechenzentren keine, oder wenn überhaupt, nur eine untergeordnete Rolle. In den meisten Unternehmen wird der Energieverbrauch erst gar nicht gemessen. Der Strom kommt buchstäblich aus der Steckdose und verschwindet in den Gebäudenebenkosten. Energieeffizienz? Fehlanzeige! Wo nicht gemessen wird, besteht kein Optimierungspotenzial.

Dabei wären viele überrascht, welche Kosten sich einsparen lassen, wenn man den Energieverbrauch eines durchschnittlichen Rechenzentrums einmal genauer unter die Lupe nimmt.

Hierzu zur Veranschaulichung ein Beispiel: Ein Unternehmen mit etwa 250 IT-Mitarbeitern belegt üblicherweise 2 IT-Racks, wofür permanent ca. 6 kW an Stromleistung benötigt werden. Diese Leistung wird in Wärme umgewandelt, die aus dem Rechenzentrum heraus gekühlt werden muss, damit die Geräte nicht erhitzen. So können – im Zusammenspiel mit weiteren sogenannten Ineffizienzen im Rechenzentrum – aus 6 kW Leistung mal eben ganz schnell 12 kW werden. Geht man jetzt davon aus, dass das Unternehmen den regulären Tarif für „normalen Bürostrom“ bezahlt, muss man hierfür von rund 30 Cent ausgehen. Das sind monatliche Ausgaben von mehr als 2.500 €, bzw. aufs Jahr gerechnet von über 30.000 €. Dieser Berechnung liegt ein durchschnittlicher PUE von 2,0 zugrunde (12 kW Brutto-Verbrauch / 6 kW Netto-IT-Leistung = 2,0.).

Faktencheck PUE:

Der PUE-Wert (Power Usage Effectiveness) drückt aus, wie energieeffizient ein Rechenzentrum arbeitet.  Bei der Berechnung der Messgröße wird die gesamte zugeführte Energie durch den Energieverbrauch des IT-Equipments geteilt:

PUE = gesamter RZ-Energieverbrauch / Verbrauch der IT-Geräte.

Je näher der Wert an 1,0 liegt, umso größer ist die Energieeffizienz des Data Centers. Übliche Werte reichen von 1,2 (gute Effizienz) bis 2,5 (sehr schlechte Effizienz).

PUE: Luft nach oben

Häufiger, als man erwarten würde, betreiben deutsche Unternehmen noch immer Rechenzentren, die aufgrund ihrer Bauart, einer zu geringen Belegung oder Auslastung sowie falscher Dimensionierung in der „allgemeinen“ Technik einen weitaus höheren Stromverbrauch aufweisen, als für die IT-Server nötig wäre. So werden noch viel zu oft PUE-Werte von bis zu 3,0 erreicht. Dieser Umstand ist in Teilen der technologischen Entwicklung geschuldet. Wurden früher in Großunternehmen Rechenzentren mit Hunderten von Quadratmetern Fläche gebaut, sind diese heute aufgrund der Verdichtung der Geräte nur noch zu geringen Prozentsätzen belegt. Die Ineffizienzen, die durch die geringe Ausnutzung solcher Rechenzentren entstehen, sind enorm. Doch es geht auch anders!

Energieeffizienz in der BADEN CLOUD^®

In einem Colocation-Rechenzentrum wie der BADEN CLOUD^® sieht es in Sachen Energieverbrauch und vor allem Energieeffizienz vollkommen anders aus. Hier wurde das Thema „Energie“ bereits bei der Planung, also von Anfang an mitberücksichtigt.

Denn neben den Einnahmen, die ein Colocation-Anbieter wie die BADEN CLOUD^® aus der Vermietung von Stellflächen im Rechenzentrum erzielt, besteht zudem die Möglichkeit, den Stromverbrauch zur Ertragsgewinnung zu nutzen. Vorausgesetzt, man hat die Verbrauchskosten im Griff. Um dies zu gewährleisten, greifen Betreiber moderner Data Center auf verschiedenste Mechanismen zurück, auf die später noch näher eingegangen wird. Zunächst gilt es zu verstehen, dass die Dienstleistung „Colocation“ überaus komplex ist und weitaus mehr beinhaltet als „nur“ die Vermietung von RZ-Stellflächen.

Der Strom, den die IT-Server in der BADEN CLOUD^® verbrauchen, wird dem jeweiligen Kunden, dem das IT-Equipment gehört, in Rechnung gestellt. Somit zahlt der Kunde den Netto-Energieverbrauch. Damit ist es aber noch nicht getan! Der Colocator, also die BADEN CLOUD^®, muss weitaus mehr für die Versorgung der IT-Server bezahlen: Angefangen beim Energiebedarf der Kühlung, über die Lüftung und Steuerungstechnik bis hin zur Verlustleistung der Geräte selbst. Eine Anlage für die unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) verliert so durchschnittlich zwischen 5 und 10% über ihre Stromwandler. Diese Leistung wird permanent in Wärme umgewandelt, weshalb sie wiederum Kosten in der Kühlung verursacht. Solche Nebenverbräuche können nicht an die Kunden des Rechenzentrums berechnet werden, weshalb es ganz im Sinne des Colocators ist, den Energieverbrauch und damit die Kosten zu reduzieren.

Green IT beschränkt sich nicht aufs Pflichtenheft, sondern betrifft die gesamte Organisation. Die erfolgreiche Senkung des Energieverbrauchs ist eine ganzheitliche Aufgabe.

Wie lässt sich in einem Rechenzentrum Strom sparen?

Neben der Verwendung moderner IT-Systeme mit SSD-Speichern gibt es viele Parameter, die der klassische IT-Betreiber nicht kennt und die wesentlich zur Energieeffizienz beitragen können. Die ausschlaggebenden Faktoren finden sich im Umfeld der IT-Systeme.

1. Effiziente Kühlung:

Ziel ist es, die kalte Luft punktgenau zu den „Verbrauchern“ zu bringen, also den Geräten, die gekühlt werden müssen. Zudem sollte diese Luft stets genau „richtig“ eingestellt sein – also weder zu kalt noch zu warm. Mit der so erzeugten Luftfeuchtigkeit von 40-60 % lässt sich das Transportmedium Luft optimal zur Übertragung von Kälte nutzen.

Des Weiteren sollte die Luft mit möglichst geringem Volumenstrom und Druck transportiert und maximal durch die Server erhitzt werden. In der so genannten Kaltgang- / Warmgang-Schottung muss eine möglichst hohe Temperaturdifferenz zwischen dem Kalt- und dem Warmgang erzeugt werden. Grundsätzlich gilt: Je höher die Differenz, desto besser die Kühlungseffizienz.

Um dies zu gewährleisten, verfügt die BADEN CLOUD^® über folgende Features:

• Kaltgang- / Warmgang-Einhausung
• Feinste Umluftkühlerregelung und exakte Abstimmung zwischen Wärmeleistung und Kühlleistung
• Indirekte Freiluftkühlung mit Temperatursteuerung der Lüfter über Frequenzumrichter
• Gestufte Kältekompressoren mit Frequenzumrichterstufen
• Kaltgangtemperaturen bis zu 24 °C, die eine hohe Warmgangtemperatur erzeugen

2. Effiziente Stromwandlung:

Die Wandlung von Strom aus dem Hochspannungsnetz in die Niedervoltverbraucher (230 / 400 V) verbraucht Energie. Die Abstimmung der Wandler muss auf den Energieverbrauch abgestimmt sein.

• Die Anlagen (Transformatoren und USV) werden gestuft nach Nutzung ausgebaut. Zum jetzigen Zeitpunkt ist die Hälfte der Leistung installiert. Ein Folgeausbau erfolgt 2021 / 2022.
• Im ersten Quartal 2021 wird die BADEN CLOUD^® bereits zu 50% ausgelastet sein und damit den passenden Verbrauch zu den ausgebauten Transformatoren und USV-Anlagen haben.

3. Beleuchtung und Lüftung:

Durch die Verwendung effizienter und modernster Geräte kann Strom eingespart werden. Die BADEN CLOUD^® verfügt über

• eine komplette LED Not- und Aktivbeleuchtung sowie
• effiziente Lüfteranlagen mit frequenzumrichtergesteuerten Motoren.

4. Nutzung von Skaleneffekten:

Stromersparnis geht tatsächlich auch einfach durch Skaleneffekte. Gerätschaften, die in vielen Kundenrechenzentren selbst betrieben werden, können in einem großen Rechenzentrum zentral von allen genutzt werden:

• zentrale Internet-Zugänge, Azure und AWS-Kopplungsgeräte sowie
• zentrale Regelungstechnik für viele Kundenumgebungen.

Die so erzeugten Synergieeffekte sind erheblich und kommen allen Kunden gleichermaßen zugute, weshalb zentrale Rechenzentren auch für den Klimaschutz von Bedeutung sind.

5. Green Energy:

Der verwendete Strom sollte möglichst aus erneuerbaren Energiequellen kommen.

• Die BADEN CLOUD^® nutzt ausschließlich Ökostrom vom E-Werk Mittelbaden, der in erster Linie aus den Wasserkraftwerken des Kinzigtals gewonnen wird.
• Zusätzlich wird in Q1 / 2021 eine Photovoltaikanlage installiert, die mit einer Spitzenleistung von bis zu 85 kW tagsüber einen Basisanteil für den Strombedarf erbringen wird.
• Sollte doch einmal der Strom ausfallen, setzt die BADEN CLOUD^® auch hier auf umweltfreundliche Ersatzmöglichkeiten: Die Netzersatzanlage (NEA), die für eine lückenlose Überbrückung des Netzausfalls sorgt, entspricht der Euro-Norm 6.

BADEN CLOUD^®: Auf dem Weg zum Musterschüler

Die Rechenzentren der BADEN CLOUD^® werden bereits im Teillastbetrieb einen durchschnittlichen Jahres PUE in Höhe von 1,4 erreichen. Das bedeutet, dass dann von 1,4 kW Leistung 1 kW in Richtung Nutzleistung der IT-Anlagen der Kunden gehen. Diese Effizienz wird permanent gemessen und protokolliert. Beim Besuch des Rechenzentrums kann jederzeit der Tages-PUE im Statusdisplay eingesehen werden.

Ab 2021 wird die Photovoltaikanlage mit selbst erzeugtem Solarstrom dazu beitragen, den PUE weiter zu verbessern.

Sie möchten mehr über die BADEN CLOUD^® erfahren? Dann nehmen Sie Kontakt zu uns auf!

Telefonisch +49 (7805) 918-0 oder über das Kontaktformular:

Hintergrund

Die Green IT-Initiative des Bundes im Überblick:

2008: Am 13. November beschließt die Bundesregierung, mit der Green IT-Initiative auf den kontinuierlich steigenden Bedarf an Informationstechnik zu reagieren. Primäres Ziel ist die Reduktion des durch den IT-Betrieb verursachten Energieverbrauchs in Höhe von 650 Gigawattstunden pro Jahr um 40 Prozent bis zum Jahr 2013.

2013: Um neuen Technologien, sich ändernden Umweltanforderungen und Rahmenbedingungen gerecht zu werden, wird im November 2013 folgendes beschlossen:

• Konsolidierung des Zielwerts um 40 Prozent (auf 390 Gigawattstunden pro Jahr)
• Umsetzung einer nachhaltigen IT-Beschaffung
• Einführung von Bewertungskriterien für Rechenzentren („Blauer Engel“), die Energie- und Ressourceneffizienz zum Ziel haben

2016: Erste Erfolge werden messbar: 2016 wird der Orientierungswert (390 Gigawattstunden / Jahr) mit einem real gemessenen Wert von 353 Gigawattstunden deutlich unterschritten.

2017: Festlegung der Ziele bis 2022:

• Konsolidierung des durch den IT-Betrieb verursachten Energieverbrauchs in der Bundesverwaltung mit dem Ziel, den Wert von 350 Gigawattstunden pro Jahr bis zum Jahr 2022 nicht zu überschreiten
• Umsetzung einer nachhaltigen IT-Beschaffung, orientiert an den Vorgaben der Architekturrichtlinie und der Blaupause für die IT-Beschaffungsstrategie
• Anwendung der RZ-Kriterien des „Blauen Engels“

2019: Im Juni gibt der Deutsche Bundestag ein externes Gutachten in Auftrag, das den aktuellen Energieverbrauch der IKT-Infrastruktur in Deutschland untersucht. Ziel ist es, Einsparpotenziale zu identifizieren, Probleme bei ihrer Realisierung zu untersuchen und daraus resultierende Handlungsempfehlungen zu erarbeiten.