Dr. Koch, Vertiv, zur Frage: „Wie können Datacenter grüner werden?“

„Abwärmenutzung ist der Schlüssel zum grünen Rechenzentrum!“

| Autor / Redakteur: Peter Koch* / Ulrike Ostler

Ohne Nutzung der Abwärme sind Rechenzentren lediglich überdimensionierte Heizlüfter, die die Umwelt aufheizen. Die Wärme-Energie ließe sich gewinnbringender und schonender nutzen.
Ohne Nutzung der Abwärme sind Rechenzentren lediglich überdimensionierte Heizlüfter, die die Umwelt aufheizen. Die Wärme-Energie ließe sich gewinnbringender und schonender nutzen. (Bild: Vertiv)

In Zukunft wird unsere Gesellschaft auf Rechenzentren angewiesen sein – mehr als je zuvor. Der weltweite Energiebedarf steigt stark und das wird auch in Zukunft so bleiben. Dafür sorgen die Digitalisierung sowie die Trendtechnologien IoT, Big Data und Künstliche Intelligenz. Die Rechenzentren müssen grüner werden und das funktioniert nur mit Nutzung der Abwärme.

Jüngste Studien gehen davon aus, dass 2030 die bestehende Informationstechnologie- und Kommunikations (ITK)-Infrastrukturen zwischen 21 und 50 Prozent des produzierten Weltstroms für sich beanspruchen werden. Somit ist klar: Immer mehr Rechenzentren und ihr zunehmender Strombedarf beeinflussen die im Rahmen globaler Klima-Abkommen weltweit angestrebte Energiewende maßgeblich. Nur wenn wir es schaffen, den Energieverbrauch der weltweiten Rechenzentren entscheidend zu senken, CO2-Emissionen drastisch zu reduzieren und erneuerbare Energiequellen zu nutzen, kann der Klimawandel mit all seinen Folgen zumindest teilweise verhindert werden.

Niedrige PUE = grünes Rechenzentrum?

Die Power Usage Effectiveness, kurz PUE, gibt Aufschluss über die Energie-Effizienz eines Rechenzentrums. Daher ist ein niedriger PUE-Wert das Ziel aller Rechenzentrumsbetreiber, die ihr Datacenter umweltfreundlich betreiben möchte. Maßnahmen, die den PUE senken, gibt es viele. Besonders bei der Rechenzentrumskühlung lässt sich einiges einsparen. Doch ab einem gewissen PUE-Wert stellt sich die Frage, wie viel eine weitere Absenkung noch bringt. Warum, soll ein Beispiel veranschaulichen.

Gehen wir von einem Rechenzentrum mit einer Leistung von einem Megawatt einer PUE von 1,5 vor. Kühlung und IT verbrauchen den Großteil des Stroms. Der Betreiber möchte die Energie-Effizienz erhöhen und den PUE-Wert senken. Das realisiert er durch die eine Verbesserung der Infrastruktur mit modernen Technologien.

Abbildung 1: Ein super PUE – und dann ....
Abbildung 1: Ein super PUE – und dann .... (Bild: Vertiv)

Wie das Tortendiagramm in Abbildung 1 zeigt, sinkt die PUE dadurch von 1,5 auf 1,2. Dort zu sehen ist auch, dass die Kühlung nun ein Vielfaches weniger an Energie verbraucht. Um den PUE noch weiter zu senken, verbessert der Betreiber seine Infrastruktur ein weiteres Mal: Der PUE-Wert sinkt damit auf 1,15.

Es wird offensichtlich: Je besser die Infrastruktur energieverbrauchstechnisch schon ist, desto geringer wirkt sich eine weitere Verbesserung auf den Stromverbrauch von Kühlung und Infrastruktur aus. Der Verbrauch der IT-Geräte - und damit der größte Teil - bleibt unverändert.

Tatsächlich werden auch die IT-Geräte für Rechenzentren immer effizienter – doch die Digitalisierung verlangt auch eine immer schnellere Datenverarbeitung. Deshalb wird der Stromverbrauch der IT im Rechenzentrum insgesamt nicht kleiner.

Die Lösung für grünere Rechenzentren liegt also nicht nur in der Optimierung der PUE. Es müssen weitere Möglichkeiten gefunden werden, die den Energieverbrauch von Rechenzentren effektiv senken.

Die Ursache des Problems

Um Rechenzentren immer noch umweltfreundlicher zu gestalten, ist zunächst folgende zentrale Frage wichtiger denn je: Was passiert mit der Energie, die ein Rechenzentrum verbraucht? Sie fließt ins Datacenter hinein – aus konventionellen oder regenerativen Quellen.

Natürlich ist die Verwendung von grünem Strom ein entscheidendes Kriterium hinsichtlich des ökologischen Footprints. Das Endergebnis ist aber das Gleiche: Jedes Kilowatt an verbrauchtem Strom gibt das Rechenzentrum in Form von Abwärme wieder in die Umwelt ab, wie Abbildung 2 verdeutlicht. Könnte die Nutzung dieser Abwärme die Rechenzentren zu Kraftwerken wandeln?

Wo könnte die Abwärme von Rechenzentren zum Einsatz kommen?

Die Abwärme eines Rechenzentrums würde sich beispielsweise für das Heizen von Wohnungen eignen. Um das Szenario zu veranschaulichen, kommt das oben angewendete Beispiel eines 1-Megawatt Rechenzentrums nochmal zur Anwendung:

Beim aktuellen deutschen Strompreis von 0,15 Euro für eine Kilowattstunde hätte das Rechenzentrum mit dem Ausgangs-PUE von 1,5 Stromverbrauchskosten in Höhe von 1,68 Millionen Euro pro Jahr. Über die Verbesserungen der Infrastruktur würden diese Kosten zunächst auf jährlich 1,34 Millionen Euro und dann auf 1,28 Millionen Euro sinken. Klar ist: die Verbesserungen für einen geringeren PUE haben auch immer kleinere Auswirkungen in monetärer Hinsicht.

Abbildung 2: Ein super PUE – und dann bleibt der Verbrauch der IT-Geräte unverändert.
Abbildung 2: Ein super PUE – und dann bleibt der Verbrauch der IT-Geräte unverändert. (Bild: Vertiv)

Für das genannte Einsatzszenario der Abwärmenutzung ist nun interessant, wie viele Wohnungen mit der durch den verbrauchten Strom entstehenden Abwärme geheizt werden könnten. Da zehn Kilowattstunden Strom in etwa einem Liter Heizöl entsprechen und eine deutsche Wohnung laut Statistiken im Durchschnitt 1.250 Liter Heizöl pro Jahr verbraucht, ließen sich mit der Abwärme des 1 Megawatt-Rechenzentrums 900 Wohnungen heizen.

Mit dem aktuellen weltweiten Energieverbrauch von Rechenzentren – derzeit etwa 500 Terawattstunden pro Jahr – könnte so ziemlich genau der komplette Heizwärmebedarf von Privatwohnungen in Deutschland gedeckt werden. Neben dem Vorteil für die Umwelt, würde sich diese Innovation auch im Geldbeutel der Rechenzentrumsbetreiber bemerkbar machen: Die Verbraucher würden das Budget, das sie bisher in Heizöl investieren, an das Rechenzentrum zahlen.

Voraussetzungen für dieses umweltfreundliche Szenario

Die praktische Umsetzung des Beispiels erfordert ein Verteilnetz, das die im Rechenzentrum erzeugte Abwärme an die Wohnungen verteilt. Vorreiter dafür ist Stockholm. Schweden gilt wegen seines Klimas als idealer Rechenzentrumsstandort. Gleichzeitig setzt das Land bei seiner Energieversorgung auf Fernwärmesysteme.

Diese Gegebenheiten wissen die Schweden zu nutzen. Sie bauen neue Rechenzentren so, dass deren Abwärme in das Fernwärmenetz eingespeist werden kann. Das Rechenzentrum „Elementica“ ist das neueste Paradebeispiel dafür. Voll ausgebaut gewinnt das Rechenzentrum pro Jahr 112 Gigawattstunden Wärme zurück. Diese Abwärme könnte den Wärmebedarf einer Stadt mit 20.000 Einwohnern, zum Beispiel Starnberg, decken.

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Auch in Deutschland gibt es innovative Versuche der Abwärmenutzung aus Rechenzentren: Das Start-Up Cloud & Heat ermöglicht beispielsweise das Heizen mit dezentralen Rechenzentren. Dazu verteilt das Unternehmen Server-Schränke dezentral in Kellern von Wohnhäusern. Zusammengeschaltet ergeben diese eine Public Cloud, deren Rechenleistung man - wie die jedes anderen Rechenzentrums auch - kaufen kann. So verpufft die Abwärme nicht, sondern sorgt für warme Zimmer und heiße Duschen der Bewohner.

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Mein Fazit:

Denn die Digitalisierung unserer Gesellschaft ist nicht aufzuhalten. Das zeigen die Prognosen. Doch die Energieressourcen sind knapp und die Auswirkungen unüberlegten und ungezügelten Energie-Einsatzes auf Umwelt und Gesellschaft gravierend. Da der Anteil des weltweiten Energieverbrauchs und des CO2-Footprints von Rechenzentren immer mehr zunimmt, müssen Datacenter entsprechend transformiert, umweltgerecht konstruiert und betrieben werden.

Die Verwendung von regenerativen Stromquellen und neuen Kühlmethoden ist ein Ansatzpunkt. Doch wie das Beispiel im Text zeigt, reicht es nicht aus, an diesen Rädchen zu drehen. Neue Konzepte sind gefragt, die Rechenzentren künftig grüner machen. Die Abwärmenutzung ist ein entscheidender Schritt in die richtige Richtung!

Dr. Peter Koch wird auf dem DataCenter Day 2017 sowohl einen Technology Outlook bieten sowie Rede und Antwort stehen. (Anmeldungen sind noch möglich.)

* Dr. Peter Koch ist Vice President Solutions bei Vertiv.

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