In 10 Etappen um die Welt 8 Stunden Energiesparen im Datacenter ist eine Erdumrundung im Elektroauto

Autor / Redakteur: Peter Koch / Ulrike Ostler

Das Thema Energieeffizienz ist ein Dauerbrenner in den Rechenzentren, das Einsparpotenzial nach wie vor erheblich. Einer aktuellen Berechnung von Emerson Network Power zufolge könnte ein Elektroauto mit der bei einem achtstündigen Betrieb eingesparten Energie einmal um die ganze Welt fahren. Ein 10-stufiger Maßnahmenplan macht den Weg dafür frei.

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In nur acht Stunden ließe sich so viel Energie einsparen, dass ein Elektroauto 39.472 Kilometer zurücklegen könnte. Diese Strecke entspricht fast dem Erdumfang von 40.074 Kilometern.
In nur acht Stunden ließe sich so viel Energie einsparen, dass ein Elektroauto 39.472 Kilometer zurücklegen könnte. Diese Strecke entspricht fast dem Erdumfang von 40.074 Kilometern.
(Bild: Emerso Network Power)

Steigende Energiepreise treiben seit Jahren die Betriebskosten für Rechenzentren in die Höhe. Der herstellerneutrale Fahrplan „Energy Logic 2.0“, der von Emerson Network Power entwickelt wurde, liefert zehn Maßnahmen, mit denen Rechenzentrumsverantwortliche den Energieverbrauch um mehr als 70 Prozent senken und gleichzeitig die Kapazität erhöhen können.

Die Berechnungen wurden für ein Rechenzentrum mittlerer Größe erstellt: 464,5 Quadratmeter, 210 Server-Racks, durchschnittliche Leistungsdichte je Rack von 3,8 Kilowatt, eine Gesamtleistung von 1.543 Kilowatt und einem PUE von 1,9. Werden alle Maßnahmen umgesetzt, lassen sich damit 1.135 Kilowatt an Leistungsaufnahme einsparen.

An einem achtstündigen Betriebstag entspricht das einer Energie-Einsparung von etwa 9.000 Kilowatt pro Stunde (kWh). Mit dieser eingesparten Energie kann ein Elektroauto eine Strecke von Moskau nach Chicago zurücklegen. Das entspricht mit 39.472 Kilometern fast einer kompletten Umrundung der Erde. Im Folgenden lässt sich für jede Maßnahme nachvollziehen, welcher Streckenabschnitt mit den jeweiligen Einsparungen zurückgelegt werden kann.

Der Grundgedanke

Die Support-Systeme verbrauchen rund die Hälfte der Energie im Rechenzentrum, haben jedoch keine direkte Auswirkung auf die Rechenzentrumsleistung. Es liegt deshalb nahe, mit Einsparungsmaßnahmen speziell auf diese Systeme abzuzielen.

Die klingt plausibel, und dennoch ist dieser Ansatz suboptimal. Denn einen weitaus höheren Effekt lässt sich durch IT-seitige Einsparungen erzielen, denn schließlich ist es der von den IT-Systemen ausgehende Kühlbedarf, der die Inanspruchnahme von Kühlleistungen steuert. IT-seitige Einsparungen führen somit unmittelbar zu Einsparungen bei den Supportsystemen.

Die Ausnutzung dieses als Kaskadeneffekt bezeichneten Phänomens ist der Grundgedanke des Energy-Logic-Ansatz: In einem Rechenzentrum mit einer PUE von 1,9 generieren Einsparungen von 1 Watt am Server-Prozessor eine Einsparung von 2,84 Watt auf Anlagenebene.

Gleichzeitig zeigt Energy Logic 2.0 die Grenzen der PUE-Kennzahlen auf und weist darauf hin, dass der Gesamtenergieverbrauch sinken, aber gleichzeitig der PUE-Wert leicht steigen kann. Werden im Beispielrechenzentrum die Maßnahmen 1 bis 5 umgesetzt, sinkt der Energieverbrauch bei gleichbleibender Rechenleistung um ungefähr 650 Kilowatt, die PUE verschlechtert sich allerdings geringfügig von 1,9 auf 1,91.

Etappe 1: Von Moskau (Russland) bis nach Liaozhong (China)

Angenommerner Startpunkt ist Moskau oder energiesparende Hardware-Komponenten.
Angenommerner Startpunkt ist Moskau oder energiesparende Hardware-Komponenten.
(Bild: Emerson Network Power)
Rechenzentrumsbetreiber, die in vollem Umfang vom Kaskadeneffekt profitieren wollen, sollten in einem ersten Schritt energiesparende Hardware-Komponenten anschaffen. Der Grund: Die derzeit verfügbaren Prozessoren verbrauchen in der Regel 40 bis 60 Watt weniger Energie als Standard-Prozessoren, liefern jedoch die gleiche Leistung.

Für das oben beschriebene Beispielrechenzentrum ergibt sich daraus eine Einsparung von 172 Kilowatt. In 8 Stunden Betriebszeit sind das wiederum knapp 1.400 kWh, damit könnte das Elektroauto die ersten 5.981 Kilometer zurücklegen.

Etappe 2: Weiter nach Phnom Penh in Kambodscha

Der Wirkungsgrad von Netzteilen liegt durchschnittlich bei nur 86,6 Prozent – dabei sind 93 Prozent möglich. Da die Effizienz der Netzteile mit der Last schwankt, lohnt es sich hier genau zu prüfen, welche Netzteile eingesetzt werden.

Solche, die bei Teillast eine bessere Leistung aufweisen, eignen sich besonders für Geräte mit zwei Netzkabeln, denn diese haben eine durchschnittliche Auslastung der Stromversorgung von weniger als 30 Prozent. Wird die Effizienz der eingesetzten Netzteile maximiert, können weitere 7,1 Prozent beziehungsweise 110 Kilowatt der Gesamtleistung eingespart werden. Das Elektroauto würde weitere 3825 Kilometer vorankommen.

Etappe 3: Durch Südostasien und Australien

Einen zusätzlichen Angriffspunkt, um den Energieverbrauch im Rechenzentrum zu senken, bietet die Stromverwaltung der Server. Häufig sind Server nur zu 20 Prozent ausgelastet, verbrauchen aber dennoch 80 Prozent der für einen Vollastbetrieb notwendigen Energie.

Mithilfe einer intelligenten Stromverwaltung besteht hier ein Energie-Einsparungspotenzial von 10 Prozent. Möglich machen das moderne Lösungen für Data Center Infrastructure Management (DCIM). Sie sammeln Betriebsdaten in Echtzeit und führen diese mit den Nutzungsdaten der Server zusammen.

Das schafft die notwendige Transparenz, um ungenutzte Kapazitäten und leistungsschwache Server zu identifizieren und die Stromverwaltung sicher und effektiv zu gestalten. Allein durch die Einführung einer intelligenten Stromverwaltung sind Einsparungen von bis zu 146 Kilowatt möglich. Mit dieser Energie könnte das Elektroauto 5078 Kilometer zurücklegen.

Etappe 4: Es geht bis nach Ballarat (Australien)

Viele Rechenzentren sind im Laufe der Jahre gewachsen und immer wieder erweitert worden. Daraus sind siloartige Strukturen entstanden, die verschiedene Probleme nach sich ziehen: Virtualisierung, die häufig auf die jeweilige Anwendungsebene beschränkt ist, Doppelungen, mangelnde Ressourcenüberwachung und Koordination der Switching/Routing-Infrastruktur des Netzwerks.

Eine Möglichkeit hier entgegenzuwirken, ist der Einsatz leistungsfähigerer Netzwerkkabel. Denn die Verlustleistung von Cat7-Kabeln liegt deutlich unter der von Cat 5. Für die Implementierung einer zusammenhängenden IKT-Architektur benötigt man jedoch Regeln und Richtlinien, die für alle Systeme gelten.

Die IT-Ressourcen werden dann nach einem an der Arbeitsbelastung ausgerichteten Gesamtkonzept installiert, welches den Umfang des Netzwerks sowie die Kosten minimiert. Immerhin lassen sich dadurch rund 53 Kilowatt einsparen beziehungsweise 1843 Kilometer fahren.

Etappe 5: Das Elektroauto kann mit der eingesparten Energie bis nach Oranjestadt (Aruba) fahren

Virtuaisierung spielt eine wesentliche Rolle beim Energiesparen.
Virtuaisierung spielt eine wesentliche Rolle beim Energiesparen.
(Bild: Emerson Network Power)
15.580 Kilometer im Elektroauto ist eine große Entfernung. Sie entspricht rund 448 Kilowatt und dem Einsparpotenzial von Server-Konsolidierung und Virtualisierung. Physische Server sind statisch und können nicht so schnell auf wechselnde IT-Belastungen reagieren.

Deshalb wird Hardware häufig überdimensioniert, um Bedarfsspitzen abfangen zu können. Die fünfte Maßnahme setzt auf Virtualisierung, um Energie einzusparen. So können ältere Server auf wenigen physischen Servern konsolidiert werden.

Bei einer Erhöhung des Virtualisierungsgrads von 30 auf 60 Prozent lässt sich der Energieverbrauch im Rechenzentrum um 29 Prozent reduzieren. Um das zu erreichen, sollten Unternehmen eine ganzheitliche DCIM-Lösungen einsetzen. Diese bietet Transparenz im Hinblick auf die Verwendung der virtuellen Server und die Kapazitäten der Infrastruktur.

Etappe 6: Von Oranjestadt (Aruba) nach Tinum (Mexiko)

Die sechste Maßnahme bezieht sich auf die Effizienz der unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) und birgt ein Einsparpotenzial von rund 63 Kilowatt beziehungsweise 2.191 Kilometern im Auto. USV-Systeme mit Double-Conversion verbrauchen 4 bis 6 Prozent der zugeführten Energie für die Wandlung Wechselstrom-Gleichstrom-Wechselstrom.

Ist das Rechenzentrum nicht sehr kritisch oder die Netzstromversorgung von höchster Qualität, kann dieser Energieverlust durch den Einbau eines Bypass-Schalters in das USV-System vermieden werden. Der Bypass gewährleistet einen unterbrechungsfreien Transfer der Last auf ein Hilfs- oder Sicherungssystem, um beispielsweise Wartungsarbeiten durchzuführen oder bei Überlastung oder akutem Verlust der Versorgungsspannung eine unterbrechungsfreie Stromversorgung zu garantieren.

Die Qualität der Bypass-Stromversorgung wird vom USV-System überwacht. Die Implementierung eines ECO-Modus und die Optimierung des Leistungspfads von der USV zu den Servern und anderen Geräten senken den Gesamtverbrauch um 4 Prozent beziehungsweise um 10 Prozent, wenn bereits die anderen Maßnahmen umgesetzt worden sind und somit die verbleibende Last auf 614 Kilowatt gesunken ist.

Etappe 7: Von Mexiko geht es weiter nach Grand Canyon Village (Arizona/USA)

Ein optimiertes Temperatur- und Luftstrom-Management drückt den Energieverbrauch weiter. Bis zu 80 Kilowatt lassen sich mit geeigneten Maßnahmen erzielen und rund 2.782 Kilometer im Auto zurücklegen.

Im Idealfall sind kalte und warme Luft im Rechenzentrum strikt getrennt. Am besten gelingt dies mit einer Kaltgangeinhausung. Ziel ist es, die Temperatur der Rückluft zur Kühleinheit zu maximieren.

Wird diese um 5,6 Grad erhöht, kann je nach System die Effizienz der Kühleinheit um 30 bis 38 Prozent gesteigert werden. Weitere Vorteile einer solchen Einhausung sind eine präzisere Steuerung der Ventilatorengeschwindigkeit, höhere Temperaturen der Kühlwassereinspeisung sowie eine maximale Economizer-Nutzung. Eine intelligente Steuerung ermöglicht es dann, dass nicht mehr die Rücklufttemperatur, sondern die Bedingungen an den Servern für die Kühlung herangezogen werden.

Etappe 8: Quer durch die USA

Eine flexible Anpassung der Kühlsysteme an den Kühlbedarf kann den Energiebedarf weiter drücken. 40 Kilowatt sind im Modellrechenzentrum möglich, das entspricht einer Strecke von 1.391 Kilometern im Elektroauto.

Spitzenlasten kommen in Rechenzentren nur selten vor. Es ist deshalb wichtig, dass die Kühlsysteme auch im Teillast-Betrieb effizient arbeiten. Bei Kaltwassersystemen sind die Ventilatoren die hungrigsten Energiefresser. Stufenlos regelbare EC-Ventilatoren sind deshalb zu präferieren. Diese können in bestehende Kühleinheiten eingebaut und über die intelligente Steuerung geregelt werden.

Kompressoren mit variabler Kapazität für Direct Expansion (DX)- als auch Kaltwassersysteme, können die Effizienz weiter erhöhen. Der Energieverbrauch des Rechenzentrums sinkt durch ein derart optimiertes Kühlsystems um weitere 2,6 Prozent.

Etappe 9: Die eingesparte Energie hat für eine Strecke bis Chicago (USA) oder einmal rund um die Welt gereicht

Bis Chicago ist es jetzt nicht mehr weit. Lediglich 800 Kilometer trennen das Elektroauto von seinem Ziel. Weitere 23 Kilowatt sind nötig, um es noch einmal aufzuladen.

High-Density-Kühlung macht das möglich: In der Regel herrscht in einem Rechenzentrum eine Dichte von 2-3 Kilowatt pro Rack. Werden Umgebungen geschaffen, die wesentlich höhere Dichten unterstützen, kann die Effizienz weiter gesteigert werden.

Ergänzendes zum Thema
Schlussfolgerungen aus Energy Logic

1) Kaskadeneffekt nutzen

Die Auslastung der Support-Systeme wird von der IT-Last bestimmt. Effizienzverbesserungen bei den IT-Systemen werden in den Support-Systemen verstärkt.

2) Verfügbarkeit und Flexibilität haben Vorrang

Energy Logic beweist, dass durch den Einsatz erprobter Technologien der Energieverbrauch im großen Stil gesenkt werden kann, ohne den Betrieb, die Verfügbarkeit oder die Flexibilität zu beeinträchtigen.

3) Höhere Dichten tolerieren

Bislang galten Leistungsdichten unter 5 Kilowatt pro Rack als Norm. Doch die heute verfügbaren Technologien tolerieren Dichten von bis zu 20 Kilowatt pro Rack. Aktuelle Server und Support-Systeme wurden sogar speziell für diese Dichten entworfen.

4) Mehr Kapazität

Energy Logic-Maßnahmen können nicht nur den Energieverbrauch senken sondern auch Wachstumsschranken einreißen und Platz für Kapazitätserweiterungen schaffen.

In diesem Fall sind jedoch herkömmliche Raumkühlsysteme nicht geeignet. Stattdessen muss eine Kühlung implementiert werden, die das Kühlgerät näher an die Wärmequelle heranbringt. Dadurch wird heiße Luft aus dem Warmgang gezogen und dem Kaltgang kalte Luft zugeführt. Ein Teil der Kühllast wird dann von herkömmlichen Umluftkühlgeräten auf zusätzliche Kühleinheiten übertragen, die an oder entlang der Racks angebracht sind.

Etappe 10: Leistungsstarkes Navigationssystem an Bord

Um auf der Fahrt von Moskau nach Chicago möglichst wenig Energie zu verbrauchen und den kürzesten Weg zu wählen bedarf es eines leistungsstarken Navigationssystems. Im Rechenzentrum bilden moderne Data Center Infrastructure Management (DCIM)-Lösungen hierzu die Basis.

DCIM ist deshalb ein zentraler Bestandteil vieler Energy Logic-Maßnahmen. DCIM-Tools geben den Administratoren nicht nur einen Überblick über die Geschehnisse in den IT-, sondern auch in den Supportsystemen und lösen bei der Überschreitung bestimmter Grenzwerte unmittelbar Alarm aus. Sie machen die Vorgänge transparent, sodass ungenutzte Infrastrukturkapazitäten genutzt werden können. DCIM ist für viele Energy Logic 2.0-Maßnahmen ein zentraler Bestandteil. Durch das Zusammenspiel mit anderen Maßnahmen, ist eine genaue Bezifferung des Einsparungspotenzials von DCIM allerdings nicht möglich.

Das Fazit

Das Einsparpotenzial von Rechenzentren ist nach wie vor enorm. Werden sämtliche Maßnahmen von Energy Logic 2.0 in Verbindung mit einem leistungsstarken DCIM-System umgesetzt, könnte ein durchschnittliches, 464,5 Quadratmeter großes Rechenzentrum seinen Energiebedarf um rund 70 Prozent senken.

In nur acht Stunden ließe sich so viel Energie einsparen, dass ein Elektroauto 39.472 Kilometer zurücklegen könnte. Diese Strecke entspricht fast dem Erdumfang von 40.074 Kilometern. Jede einzelne Maßnahme aus dem Energy Logic 2.0-Katalog bringt bereits erhebliche Verbesserungen, ohne die Verfügbarkeit und Flexibilität des Rechenzentrums zu beeinträchtigen.

Der Autor:

Dr. Peter Koch ist Senior Vice President Engineering & Product Management, Racks & Integrated Cabinets bei Emerson Network Power.

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