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Wärmenutzung und bewusstes Handeln: RWTH Aachen ermittelt für EON 5G führt zu massivem Anstieg des Energiebedarfs in Rechenzentren

| Autor: Ulrike Ostler

Mit dem Technologiesprung zum Mobilfunkstandard 5G wird der Energiebedarf von Rechenzentren drastisch ansteigen. Zu diesem Ergebnis kommt eine von EON bei der Universität RWTH Aachen beauftragte Studie.

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Die Anforderungen der drei Anwendungsfelder von 5G-Netzen.
Die Anforderungen der drei Anwendungsfelder von 5G-Netzen.
(Bild: DotEcon (2017 ) Study on Implications of 5G Deployment on Future Business Models )

Nach den RWTH-Evaluierungen kann allein 5G den ohnehin stark wachsenden Strombedarf in Rechenzentren um bis zu 3,8 Terawattstunden (TWh) bis zum Jahr 2025 zusätzlich erhöhen. Das wäre genug Strom, um alle 2,5 Millionen Menschen der Städte Köln, Düsseldorf und Dortmund ein Jahr lang zu versorgen. Bei der Studie handelt es sich um Berechnungen auf Basis einer Literaturrecherche, vorgenommen vom Institute for Future Energy Consumer Needs and Behavior (FCN) der RWTH Aachen.

EON will sich nun dafür einsetzen, den steigenden Energieverbrauch klimafreundlich zu gestalten. Außerdem prüft das Unternehmen die Situation der Stromnetze im Rechenzentrum-Ballungsraum Frankfurt mit dem Ziel, die Energieversorgung auch bei deutlich steigendem Verbrauch zu sichern.

Die 5G-Infrastruktur für die drei Anwendungsfälle: Enhanced Mobile Broadband. Massive Machine Type Communication und Ultra-reliable und low lantency communications.
Die 5G-Infrastruktur für die drei Anwendungsfälle: Enhanced Mobile Broadband. Massive Machine Type Communication und Ultra-reliable und low lantency communications.
(Bild: Huawei (2016) 5G Network Architecture: A High Level Perspective )

Auslöser des Energiehungers sind die neuen technischen Möglichkeiten für Unternehmen und Verbraucher.

Oftmals werden als Gründe für einen zusätzlichen Bedarf an Rechnezentren (am Edge) die geringen Latenzen genannt, die notwendig werden. Die Studie aber nennt drei Kernbereiche:

  • Enhanced Mobile Broadband: Hauptsächlich Nutzung von lokalen Rechenzentren in der Nähe der Anwendung; regionale Rechenzentren übernehmen hier die Funktion der Steuerung
  • Massive Machine Type Communications: Bei der Verarbeitung von Echtzeit- und Nicht-Echtzeit-(Maschinen)-Daten direkt vor Ort übernehmen lokale und regionale Rechenzentren ´nur` Steuerungsfunktionen.
  • Ultra reliable and low latency communications: In diesem Fall muss die Verarbeitung der Daten in lokalen und regionalen Rechenzentren erfolgen

Zudem bauen sich Unternehmen mit Mit 5G eigene Mobilfunknetze auf. In intelligenten Fabriken vernetzen sich selbstfahrende Roboter mit Maschinen und tauschen Informationen aus. Das Mobilfunknetz wird so leistungsfähig, dass Filme in Echtzeit und praktisch ohne Download zur Verfügung stehen. Das erfordert laut Studie den Aufbau von vielen kleinen und lokalen Rechenzentren, die vielfach als Zwischenstation zu den zentralen Einheiten fungieren.

5 G fördert das Wachstum sowohl im Edge- als auch Cloud Computing.
5 G fördert das Wachstum sowohl im Edge- als auch Cloud Computing.
(Bild: h ttp://connections.rdm.com/de/fokus de/edge data center https://ne rz.de/2019/11/27/boom bei kompaktrechenzentren/ https://ne rz.de/2019/07/10/edge rechenzentren vor dem durchbruch/ )

Denn meisten 5G-Services benötigen den weiteren Ausbau von Edge Computing. Dabei übernehmen Edge Datacenter Aufgaben, bei denen es auf besonders kurze Latenzzeiten und ortsnahe Prozessierung großer Datenmengen ankommt. ergänzend zur Cloud. Derzeit geht man beim Versuch Edge zu definieren von einer Latenz unter 20 Millisekunden aus. Weitere Kennzeichen sind Echtzeit-Datenanalyse, temporäre Datenspeicherung, geringe Datenmengen, geringe Rechenleistung und eine hohe Anzahl an Geräten, in hoher Diversität.

Doch je mehr Edge Rechenzentren es gibt, desto größer wird auch der Bedarf an zentralen Rechenzentren (siehe: Abbildung). Hier ist das hervorstechende Merkmal die wesentlich höhere Latenz: 60 Millisekunden und mehr dürfen es sein. Hier finden Langzeitdatenanalysen statt, genauso wie Langzeitspeicherung, das Lagern und Verarbeiten großer Datenmengen. Eine geringe Anzahl an Geräten produzieren eine hohe Rechnerleistung.

Das Verhältnis zu Edge und Cloud
Das Verhältnis zu Edge und Cloud
(Bild: Equinix (2019) Global Interconnection Index Volume 3 )

Doch je mehr Edge-Rechenzentren es gibt, desto größer wird auch der Bedarf an zentralen Rechenzentren. So wird zwar im Jahr 2025 der Großteil der Daten an der Edge, im Endnutzergerät, erzeug, - der Anteil an der Datenerzeugung steigt auf etwa 20 bis 22 Prozent -, doch immer mehr Daten werden auch in der Edge beziehungsweise in der Cloud repliziert, übertragen oder gespeichert.

Es ist davon auszugehen, dass der größte Anteil der Daten in der Cloud gespeichert wird. Dies erhöht den Strombedarf in großen Rechenzentren. Um einmal einen Begriff davon zu geben, was klein und groß bedeutet, liestet die Studie folgende Unterscheidungen auf:

  • Kleinstrechenzentren - bis 5 kW
  • Campus Rechenzentren - bis 20 kW
  • Dezentrale Edge Cloud Rechenzentren - > 100 kW
  • Hyperscale - > 10 MW

Darauf kommt es an

Für EON-Vorstandsmitglied Karsten Wildberger kommt es jetzt darauf an, den zusätzlichen Energiebedarf von Beginn an klimafreundlich abzudecken. „Digitalisierung heißt mehr Daten, mehr Rechenkapazität, mehr Rechenzentren. Jedes Rechenzentrum verbraucht riesige Mengen an Strom. Bis 2030 werden bis zu 13 Prozent des weltweiten Strombedarfs von Rechenzentren benötigt. Hier brauchen wir eine nachhaltige Energieversorgung. Das können wir heute umweltfreundlich und zugleich wirtschaftlich realisieren.“

Für die klimafreundliche Versorgung von Rechenzentren sind laut Wildberger alle nötigen Techniken vorhanden. „Wir beliefern Rechenzentren mit sauberer Energie oder bauen an den Standorten hocheffiziente dezentrale Erzeugungsanlagen wie Blockheizkraftwerke oder Brennstoffzellen – oft kombiniert mit Photovoltaik-Systemen oder Windenergie“, so Wildberger.

Das Wachstum der Datenfabriken wirkt sich auch auf die Stromnetze aus. Im Raum Frankfurt, der Hauptstadt der Rechenzentren, hat der Netzbetreiber Syna aus dem E.ON Konzern Mitte des Jahres bereits ein Umspannwerk in Betrieb genommen, das für umgerechnet 160.000 Haushalte ausgelegt ist und besonders die Versorgung der aktuell geplanten Rechenzentren sicherstellt. Syna prüft aktuell umfangreiche Maßnahmen in ihren Netzen, um den Energiebedarf der Rechenzentren und anderer Kunden auch in Zukunft bei deutlichem Wachstum nachhaltig decken zu können.

Nutzung der Abwärme

Bei den Energiekonzepten geht es aber nicht nur um die Energie-Erzeugung, sondern auch die ressourcenschonende Nutzung von Abwärme. Derzeit werden 13 Milliarden Kilowattstunden Strom in deutschen Rechenzentren in Wärme umgewandelt – und bislang ungenutzt in die Umgebung abgegeben. Laut Studie nutzen nur 19 Prozent der Rechenzentren einen Teil ihrer Abwärme, zum größten Teil in den eigenen Gebäuden für Heizung und Warmwasser.

Die Frage lautet: „Nutzen Sie die Abwärme Ihres Rechenzentrums/Ihrer Rechenzentren?“
Die Frage lautet: „Nutzen Sie die Abwärme Ihres Rechenzentrums/Ihrer Rechenzentren?“
(Bild: Borderstep (2017). Rechenzentren in Deutschland: Eine Studie zur Darstellung der wirtschaftlichen Bedeutung und der Wettbewerbssituation. )

Bis zum Jahr 2025 werden laut Studie bis zu 8 TWh Abwärme zur Verfügung stehen. Wildberger sieht hier enorme Potenziale für die nachhaltige Nutzung dieser Energie. „Heute wird die Abwärme von Rechenzentren viel zu oft ungenutzt verschwendet. Abwärme ist wertvolle Energie, die knapp die Hälfte der eingesetzten Energie ausmacht. Deshalb müssen Rechenzentren zur Wärmeversorgung von Wohnsiedlungen und ganzen Stadtteilen genutzt werden. Das ist ein ganz konkreter und wichtiger Beitrag zur Kopplung der Sektoren Strom und Wärme, den wir gemeinsam mit unseren Kunden umsetzen.“

Status Quo: 13 Milliarden kWh Strom werden aktuell in Rechenzentren in Deutschland in Wärme umgewandelt und ungenutzt an die Umgebung abgegeben. Zudem wird die Wärme, wenn überhaupt, fast ausschließlich in Gebäuden des Rechenzentrums für Heizung und Warmwasserbereitung verwendet. Doch 19 Prozent der Rechenzentren in Deutschland nutzen mindestens 10 Prozent ihrer Abwärme.

So könnte es sein: Pro MWh verbrauchten Stroms fallen ca. 0,46 MWh Abwärme an. Bei einem prognostizierten Stromverbrauch von 16,4 TWh in Deutschland im Jahr 2025 besteht ein Abwärmepotenzial von bis zu 7,5 TWh. Zukünftig könnten Gebäude mit geringem Energiebedarf die Rechenzentrums Abwärme ohne den Einsatz von Wärmepumpen direkt nutzen.

Doch für die Nutzung von Datacenter-Abwärme im großen Stil, in Nah- und Fernwärme, barucht es einige Voraussetzungen.
Doch für die Nutzung von Datacenter-Abwärme im großen Stil, in Nah- und Fernwärme, barucht es einige Voraussetzungen.
(Bild: Bitkom (2019). Positionspapier: Nutzung von Abwärme aus )

Einschränkungen:Laut RWTH-Bericht gibt es bisher gibt es nur zwei Studien, die den zukünftigen Energiebedarf von Rechenzentren in Deutschland abschätzen: vom Fraunhofer IZE (2015). „Entwicklung des IKT bedingten Strombedarfs in Deutschland“ und vom Borderstep Institut (2016) „Green Cloud? The current and future development of energy consumption by data centers, networks and end user devices“.
Eine kleine Anfrage von Abgeordneten der Fraktion Bündnis90/DIE GRÜNEN von April 2019 über den zukünftigen Energieverbrauch von Rechenzentren im Zuge des Rollouts des 5G Standards konnte die Bundesregierung nicht beantworten.

Schwierigkeiten:Die Rahmenbedingungen für die Betreiber von Rechenzentren bezüglich der Abwärmenutzung ist jedoch schwierig. Laut Studie fehlen oft geeignete Abnehmer für die Wärme. Zudem besteht meist keine Verbindung zu lokalen Wärmenetzen, wenn solche überhaupt vorhanden sind.
Wenn es welche gibt, wollen die Wärmenetzbetreiber zuerst ihre eigenen Anlagen auslasten und sind nicht am Zukauf weiterer Wärme interessiert.
Der Vertrieb von Wärme ist nicht das Kerngeschäft der Datacenter-Betreiber.

In diesem Zusammenhang schließt sich E.ON der Forderung des Branchenverbands Bitkom an, Abwärme wirtschaftlich attraktiver zu machen. Die gesetzlichen Rahmenbedingungen sollten so gestaltet werden, dass die Nutzung von Abwärme günstiger als die Nutzung von Primärenergie ist.

Wie geht es weiter?

Im Jahr Im Jahr 2015 hatte Deutschland laut Untersuchungen von Ralph Hintemann, Borderstep, einen Anteil von 25 Prozent an der europäischen Rechenzentrumskapazität. Doch heute sinkt die Bedeutung des Standorts West Europa insgeasamt. Indiz könnte sein, dass im Jahr 2021 nur 18,5 Prozent des weltweiten Rechenzentrum-Workload in West Europa stattfinden wird.

Der Rechenzentrum Workload steigt vor allem im asiatischen Raum an. Durchschnittlich werden Wachstumsraten von 15 bis 24 Prozent erreicht.

Der Glasfaserausbau in Deutschland kommt nicht voran.
Der Glasfaserausbau in Deutschland kommt nicht voran.
(Bild: FTTH Council/Masterplan 2030 )

Im Jahr 2022 werden rund 22 Prozent der Bandbreitenkapazität in Europa installiert sein. Doch in Deutschland geht der Glasfaserausbau nur schlecht voran (siehe Abbildung). Auf dem Land stockt er.

Trotzdem wandert die Datenspeicherung und -verarbeitung nicht komplett ins Ausland: So setzen Anforderungen an Latenzzeiten Grenzen bei der Verlagerung von IT an andere Standorte. Zudem vermeiden viele private Unternehmen Outsourcing von unternehmenskritischen Daten, zum Beispiel im Bereich Forschung und Entwicklung, wenngleich gilt: Je größer und digitalisierter das Unternehmen, desto flexibler ist es bei der Standortwahl des Rechenzentrums.

Verhindert wird das zum Teil durch rechtliche Vorschriften, zum Beispiel für Sozial- und Patientendaten, Melde- oder Statisikgeheimnisse. Kleine und wenig digitalisierte Unternehmen verwenden ohnehin meistens kleinere und regionale Rechenzentren und Behörden sowie Hochschulen müssen ihre Daten in Deutschland speichern.

Was EON plant

Mit der Technik „Ectogrid“ hat EON ein Wärme- und Kältenetzsystem entwickelt, das mit niedrigen Temperaturen arbeitet, von Algorithmen gesteuert wird und verschiedene Erzeuger und Abnehmer von Wärme oder Kälte intelligent miteinander vernetzt. Dieses System, auf das EON 39 Patente hält,will eine Lösung für die effiziente Nutzung von Abwärme bieten.

Der mit zunehmender Digitalisierung steigende Energieverbrauch ist nicht allein durch die Einführung des 5G Standards bestimmt, sondern wird auch von einem neuen Online-Nutzerverhalten jedes einzelnen verursacht. Dafür will EON im Zuge einer Kampagne sensibilisieren. Es geht darum, Bewusstsein zu schaffen und einen aktiven Beitrag zu einer klimaschonenden Digitalisierung zu leisten.

EON wird daher am 8. Januar einen „Green Internet Day“ ins Leben rufen. An diesem Tag wird das Unternehmen unter anderem seine gewohnten Aktivitäten im Internet und auf den Social-Media-Kanälen einstellen und stattdessen auf Lösungen für ein grünes Internet hinweisen. Rund um den „Green Internet Day“ sind zahlreiche weitere Aktionen vorgesehen, die das Unternehmen Anfang Januar vorstellen wird.

Hinweis: Die Studie „C15 - Energie Mehrverbrauch in Rechenzentren bei Einführung des 5G Standards“ von Tim Höfer, Sebastian Bierwirth und Reinhard Madlener kann online eingesehen werden. Auf der Site hat EON zudem einen Informationsbereich zum Thema Energie und Rechenzentren eingerichtet.

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Über den Autor

 Ulrike Ostler

Ulrike Ostler

Chefredakteurin, DataCenter-Insider