Wie Datacenter Budget und Umwelt schonen können

Orga und Technik für Energie-Effizienz im Rechenzentrum

| Autor / Redakteur: Konrad Bauer* / Ulrike Ostler

In den neuen Rechenzentren der Telekom in Biere wird einiges dafür getan, damit der PUE-Wert bei 1,3 liegen kann.
In den neuen Rechenzentren der Telekom in Biere wird einiges dafür getan, damit der PUE-Wert bei 1,3 liegen kann. (Bild: Deutsche Telekom AG)

Wie der Branchenverband Bitkom ermittelt hat, lag der Durchschnittsverbrauch eines Rechenzentrums im Jahr 2015 bei 5,5 Millionen Kilowattstunden. Energie-Effizienz ist daher ein Gebot - unverzichtbar und ein Erfolgsfaktor. Sie sorgt für den wirtschaftlichen Betrieb und leistet einen Beitrag zum Umweltschutz.

Die Digitalisierung und ihre Disziplinen wie das Internet of Things oder Big Data erfordern immer mehr Rechenleistung und vor allem Speicherplatz. So gehen Experten von Digital Universe davon aus, dass bereits 2020 ein weltweites Datenvolumen von 44 Zettabytes entsteht – in Buchform ergäbe diese Masse einen Turm von 36 Milliarden Kilometern Höhe. Das ist 50.000 mal die Strecke zum Mond und zurück!

Rechenzentren bilden angesichts der steigenden Datenflut das Rückgrat der Digitalisierung. Wie das Marktforschungunternehmen IDC ermittelt hat, gibt es weltweit 8,6 Millionen Datacenter. Damit sie ihre Aufgaben – die Daten zuverlässig zu speichern und schnell auszuwerten – jederzeit gerecht werden, müssen sie leistungsstark und ausfallsicher sein. Eine kontinuierliche Stromversorgung ist hierfür unverzichtbar.

Konrad Bauer, Global Head of Data Center International von T-Systems, hat diesen Beitrag für DataCenter-Insider verfasst.
Konrad Bauer, Global Head of Data Center International von T-Systems, hat diesen Beitrag für DataCenter-Insider verfasst. (Bild: T-Systems)

Server, Storage und Kühlung machen drei Viertel des Energieverbrauchs aus

Allerdings ist die Energieversorgung zugleich der größte Kostenfaktor eines Datacenters. Deutschlands Rechenzentren verbrauchen aktuell in Summe 10 bis15 Terawattstunden. Das hat das Fraunhofer-Institut errechnet.

Der Energieverbrauch eines Rechenzentrums setzt sich aus mehreren Komponenten zusammen: Die drei größten sind die Server (31 Prozent), der Storage (22 Prozent) sowie die Kühlung (22 Prozent), weiß der Bitkom. Die restlichen 25 Prozent der Energie werden für eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) benötigt, die vorzuhalten ist, um Spannungsschwankungen auszugleichen, sowie für weitere kleinere Komponenten wie die Innenbeleuchtung.

Wie Energie-effizient ein Rechenzentrum ist, lässt sich am besten mit dem PUE-Wert (Power Usage Effectiveness) definieren: Dieser entspricht dem Quotienten aus dem Gesamtenergieverbrauch eines Datacenters geteilt durch den Energieverbrauch der IT.

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Im Idealfall entspräche der Wert genau 1,0. Das würde bedeuten, dass die gesamte Energie lediglich von den IT-Komponenten verbraucht wird. Tatsächlich erreichen deutsche Rechenzentren laut Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Mittel einen PUE-Wert von 1,8. Zum Vergleich: Der extrem Energie-effiziente Datacenter Campus von T-Systems in Biere erreicht einen PUE-Wert von 1,3 und setzt damit einen Benchmark in Sachen Sparsamkeit.

Den Stromfressern den Kampf ansagen

PUE-Werte wie sie in Biere erreicht werden, sind das Ergebnis konsequenter Optimierung, indem die gesamte Architektur des Rechenzentrums auf Effizienz getrimmt ist. Gerade in Deutschland sind Einsparungen bei der Energie unverzichtbar. Schließlich sind die Stromkosten hierzulande deutlich höher als bei unseren europäischen Nachbarn. So liegen die Preise in Skandinavien zum Teil nur bei 20 Prozent der Kosten, die in der Bundesrepublik anfallen. Ein Fakt, der dem IT-Standort Deutschland nicht gerade zuträglich ist.

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Um Energie in Rechenzentren zu sparen, bieten sich verschiedene Optionen an. Grob unterteilen lassen sich die Energiesparmöglichkeiten auf zwei Bereiche: Organisation und technische Ausführung.

Technik und Maßnahmen

Die Organisation beinhaltet etwa die richtige Auswahl der Komponenten nach den Faktoren „Leistung“ und „Verbrauch“. Wie hoch ist die Serverleistung im Vergleich zu dessen Stromverbrauch? Auch die Betriebsoptimierung gehört dazu. Sie lässt durch eine möglichst hohe Auslastung der Komponenten erreichen, beispielsweise indem die Racks möglichst dicht gepackt werden. Höhere Effizienz kann aber auch durch eine frühzeitige Konsolidierung der gesamten IT-Landschaft erzielt werden, etwa, indem alte Komponenten durch neue ersetzt werden.

Bei der technischen Ausführung stehen drei Wege offen: Neben der Virtualisierung von physikalischen Komponenten – Stichwort „Software Defined Data Center“ – bietet der Einsatz moderner Komponenten hohe Energiesparmöglichkeiten sowohl beim Storage als auch beim Netzwerk. In beiden Bereichen kann eine Leistungs- und Effizienzsteigerung von rund 20 Prozent pro Jahr erreicht werden. Zuletzt sollten die Systeme sowohl bei der Strom- als auch der Klimabereitstellung vollautomatisch reguliert und so stets im optimalen Bereich gefahren werden, um Leerlauf zu vermeiden.

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Doch neben der Energieversorgung der IT-Komponenten, die in der Regel für mehr als die Hälfte des gesamten Stromverbrauchs verantwortlich sind, ist auch die Kühl- und Klimatechnik ein wesentlicher Kostentreiber. Zur effizienten Temperaturregelung der Rechenzentrums-Hardware stehen jedoch vielfältige Methoden zur Verfügung.

Mit der Leistung steigt die Abwärme

Energie erzeugt Wärme, das ist bei elektrischer Energie nicht anders. Als Faustregel gilt, dass jedes Kilowatt elektrischer Leistung in etwa gleicher Höhe thermische Energie erzeugt – es entsteht also Abwärme. So geht eine hohe Leistung in Rechenzentren daher unweigerlich auch mit hohen Temperaturen einher. Diese müssen gesenkt werden, um Leistungsabfälle zu verhindern und die IT-Komponenten vor Überhitzung zu schützen.

Auch hier gibt es zwei grundlegende Optionen, die getrennt voneinander oder kombiniert angewendet werden können. Option eins: Die Server-Räume werden direkt gekühlt. Option zwei: Der Stromverbrauch – und damit die Abwärme – wird reduziert.

Im Idealfall kann die Kühlung durch die vorhandene Außenluft erfolgen, was in Deutschland nicht selten der Fall ist. Im Rechenzentrum von T-Systems in Biere wird die Temperatur so zu 80 Prozent reguliert. Sollte die Temperatur der Außenluft zu hoch für eine solche Freikühlung sein, werden zusätzlich Kühlaggregate eingesetzt. Sie sorgen dafür, dass die Innentemperatur konstant zwischen 25-27 Grad Celsius liegt.

Die größten Hebel beim Energiesparen sind eine frühzeitige Konsolidierung der gesamten IT-Landschaft und die Virtualisierung.
Die größten Hebel beim Energiesparen sind eine frühzeitige Konsolidierung der gesamten IT-Landschaft und die Virtualisierung. (Bild: Deutsche Telekom AG)

SLAs auf Temperatur

Die Höhe der zulässigen Temperatur ist indes nicht überall gleich. Sie hängt auch von den mit Kunden verabredeten Service Level Agreements (SLA) ab. Je häufiger jedoch die Temperaturregulierung über den Luftaustausch geschieht, desto energieeffizienter und umweltschonender ist ein Rechenzentrum. Dank seiner Freiluftkühlung spart der Data Center Campus Biere rund 30 Prozent Energie ein.

Und es gibt es weitere umweltschonende Methoden, um ein Rechenzentrum auf optimaler Betriebstemperatur zu halten:

  • Wasserkühlung: Das Rechenzentrum von T-Systems in München verwendet zur Kühlung beispielsweise Brunnenwasser, dass hochgepumpt wird und die Kälteanlagen unterstützt.
  • Verdunstungskälte: In Gegenden mit überdurchschnittlich hohen Temperaturen gut geeignet, ist die Methode der Verdunstungskälte oder der adiabaten Kühlung. Der Luft wird mittels eines Befeuchters Wasser hinzugefügt, das mit der Zeit verdunstet. Das verdunstende Wasser entzieht der Umgebung wiederum Wärme, wodurch sich die Serverräume abkühlen.
  • Fernkälte: Analog zur Fernwärme wird kühles Wasser durch ein isoliertes Rohrsystem geleitet und dient der Absenkung der Temperatur – eine Technik, die mittlerweile auch in Privathaushalten zum Einsatz kommt.

Der Vorteil dieser Methoden liegt auf der Hand: Die vorhandenen Kühlanlagen müssen nicht auf Hochtouren laufen – das spart deutlich Strom. Je moderner die Anlagen sind, desto niedriger ist zumeist der Anteil der Kühl- an den Energiekosten. So verursacht die Klimatisierung des Münchener Rechenzentrums von T-Systems einen Energiekostenanteil von lediglich 30 Prozent, in Biere liegt der Anteil sogar nur bei 20 Prozent.

Energie-Effizienz leistet Beitrag für Umwelt

Die Menge an Daten, die die Digitalisierung erzeugt, wird unvermindert zunehmen und damit auch der Bedarf an leistungsfähigen und zuverlässigen Rechenzentren. Gleichzeitig stehen die Betreiber von Datacenter auch steigenden Stromkosten und den Herausforderungen des Klimawandels gegenüber. Zwar erhöht sich auch die Effizienz der IT mit Blick auf Leistung und Stromverbrauch, doch die Kühlmethoden müssen ebenfalls wirkungsvoller gestaltet werden. Es gilt: optimierte Klimatechnik bei niedrigerem Stromverbrauch.

Der weitere Fortschritt in der Architektur von Rechenzentren führt allerdings nicht nur zu geringeren Kosten und damit zu einem wirtschaftlichen Betrieb der gesamten Anlage. Er leistet einen wertvollen Beitrag zur Green-IT und somit für die Natur. T-Systems und sein Mutterkonzern Deutsche Telekom haben sich beispielsweise zu eigenen Klimaschutzzielen verpflichtet: Ziel ist es, durch weniger Stromverbrauch und einen entsprechenden Energiemix den CO2-Ausstoß bis 2020 um 20 Prozent zu reduzieren. Mit den Bemühungen für energieeffiziente Rechenzentren wird also nicht nur der digitale Wandel gefördert, sondern gleichzeitig auch die Umwelt geschützt.

* Konrad Bauer ist Global Head of Data Center International von T-Systems.

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posted am 16.03.2017 um 11:47 von staffan@reveman.com


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