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Fest im Blick: Der Energie-Ausweis für Rechenzentren Parameter für ökologische Datacenter-Zukunftsfähigkeit

| Autor / Redakteur: lic.rer.publ. Ariane Rüdiger / Ulrike Ostler

Warum gibt es keine Kennzahlen, die verbindlich Auskunft darüber geben, wie viel Energie, wie viel Wasser gebraucht wird, wie viel Rohstoffressourcen in der IT-Infrastruktur gebraucht werden und wie viel das etwa in einem CO2-Äquivalent bedeutet, wenn ich etwa 1 Megabyte an Daten speichere und berechne? Denn das ermöglichte einen Vergleich. Doch das Umweltbundesamt is dem auf der Spur.

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Rechenzentren sollen zukünftig einen Energieausweis bekommen
Rechenzentren sollen zukünftig einen Energieausweis bekommen
(Bild: Ökoinstitut e.V.)

Wie effizient arbeitet ein Rechenzentrum im Verhältnis zu den von ihm erbrachten Leistungen tatsächlich? Das weiß bis heute keiner so genau. Denn Metriken wie PUE (Power Usage Effectiveness) sagen nichts darüber aus, wie viel die IT-Infrastruktur leistet.

Umweltbundesamt(UBA), Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (FH IZM) haben nun mit Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) im Projekt KPI4DCE (Key Performance Indicators for Data Center Effectiveness) neue Indikatoren für die Messung der Ressourceneffizienz von Rechenzentren und Cloud-Services entwickelt.Maßgeblich waren die UBA-Forschungsprojekte „KPI4DCE“ und „Green Cloud Computing“.

Die jüngsten Ergebnisse liegen nun vor. Hier geht es darum, den Energie- und Materialaufwand zu setzen. Das Ziel: Es sollen politische Handlungsanweisungen für Gesetzgeber und wirtschaftliche Akteure folgen.

Kennzahlen für spezifische Umweltauswirkungen

Die gesamte Kette von der Rohstoffgewinnung über die Betriebsphase bis zum Recycling ist analysiert worden. Dabei sind ein detailliertes Kennzahlraster und neue Berechnungsmethoden herausgekommen.

Bezüglich der verbrauchten Ressourcen kommen vier mögliche Indikatoren zustande, die sich jeweils auf einen Ressourcentyp beziehen:

  • abiotischer Rohstoffverbrauch (ADP, Abiotic Depletion Potential) bewertet den Verbrauch von Mineralien und fossilen Rohstoffen in Kilo Antimonäquivalenten pro Jahr (kg Sb eq/a). Warum hier Antimon als Referenz gewählt wurde, ist unklar.
  • Treibhausgaspotential (GWP, Global Warming Potential) als Maß für den Beitrag zur Erderwärmung in Kohlendioxidäquivalenten pro Jahr (kg CO2 eq/a)
  • Kumulierter Energieaufwand (CED, Cumulative Energy Demand) als Summe der verbrauchten erneuerbaren und nicht erneuerbaren Energieressourcen in Megajoule pro Jahr (MJ/a) und
  • Wasserverbrauch in Kubikmeter pro Jahr (m3/a).

Leistungseinheiten für die Datacenter-Komponenten

Dann werden die Leistungen entsprechender Rechenzentrumskomponenten beziehungsweise der umgebenden Infrastruktur gegenübergestellt. Im Einzelnen:

  • bei Servern Rechenoperationen pro Jahr in opsSpec_int_rate/a,
  • bei Storage der jährlich durch Nutzdaten belegte Raum in GB/a,
  • bei Netzen die transportierte Datenmenge pro Schnittstelle in Gb/a und
  • bei der Kühl/Klimainfrastruktur die jährlich bereitgestellten Ressourcenmengen, abhängig vom Ressourcenindikator – also etwa genutzte Geräte in kg Sb eq/a oder Kühlleistung in kg CO2 eq/a.

Umwelteffizienz von Datacenter-Infrastrukturen

Je nach Analysefrage werden die dafür sinnvollen Indikatoren ausgewählt. Dazu ein Beispiel: Wer etwa wissen will, wie viele Daten pro Kohlendioxid-Einheit verarbeitet werden, misst die Treibhausgaseffizienz von Speichersystemen, indem der belegte Speicherraum durch den damit assoziierten Kohlendioxid-Output geteilt wird.

Die in der Analyse erfassten Prozesse und ihr Zusammenhang
Die in der Analyse erfassten Prozesse und ihr Zusammenhang
(Bild: Ökoinstitut e.V.)

Wer sich fragt, ob in seiner Umgebung viel oder wenig Material verschlissen wird, um eine spezifische Rechenleistung zu erbringen, nutzt den KPI ADP und teilt Rechenoperationen durch Antimon-Äquivalente.

Vergleich von Cloud-Services

Wer wissen will, wie ressourceneffizient ein spezifischer Cloud-Service arbeitet, muss einige Vorarbeit leisten, die zukünftig die Provider hoffentlich selbst übernehmen.

Nach dem vom Projekt Green Cloud Computing vorgeschlagenen Modell werden in den zu bewertenden Rechenzentren zunächst detaillierte Daten zu IT-/Kühlressourcen und dem Energieverbrauch erhoben. Diese werden dann mit Hilfe der oben genannten Indikatoren in Aufwände, bezogen auf die Gesamtinfrastruktur, umgerechnet.

Anschließend ist zu berechnen, zu welchem Anteil ein spezifischer Service hinsichtlich eines der Indikatoren (ADP, GWP,…) die entsprechenden Gesamtressourcen eines Rechenzentrums beansprucht. Im letzten Schritt werden die servicespezifischen Aufwands-Kennzahlen ermittelt.

Dabei ist der jeweils berechnete Aufwand pro Service ins Verhältnis zu einer sinnvollen Service-Einheit zu setzen. Beispielsweise wäre ein sinnvolles Maß für den Aufwand die Erzeugung von Kohlendioxid pro Stunde Video-Streaming oder pro Terabyte gespeicherter Daten.

Streamen: Eher Kabel als Funk

Übrigens: Eine Stunde Streaming in HD-Qualität erzeugt nach den Berechnungen von KPI4DCE im Rechenzentrum 1,45 Gramm Kohlendioxid, wobei Server fast zwei Drittel ausmachen (siehe. Download-Link). Dazu kommen die Emissionen bei der Übertragung. Sie sind bei Glasfaser am geringsten (Rechenzentrum plus Übertragung: 2g/h bei 1,45 g/ h auf Seiten des Datacenter) und bei Kupferleitungen schon mehrmals so hoch (4g/h bei selbem Rechenzentrumsanteil).

3G-Mobilfunk (90g/h) schneidet demgegenüber extrem schlecht ab. Die beste Mobilfunkvariante 5G ist mit 5g/h noch immer schlechter als jede kabelgebundene Übertragung (siehe: Abbildung). Die Idee von 5G in jedes Büro ist also zumindest aus Sicht der Ressourceneffizienz Unsinn.

Die Übertragung ist für den Löwenanteil der gesamten Kohlendioxiderzeugung beim Streamen zuständig. Deshalb sollten hier kleine Bildschirme mit geringer Auflösung genutzt werden. Das verringert die Masse der zu übertragenden Daten und damit den Aufwand um Dimensionen.

Unterschiedliche Lasten in der Bau- und Nutzungsphase

In der Gebrauchsphase von Rechenzentren dominieren Klimawirkungen in Form von Stromverbräuchen und Kohlendioxid-Ausstößen mit über 80 bis 98 Prozent. In der Bauphase von Rechenzentren dominieren die Materialwirkungen (ADP) mit über 50 Prozent bis zu zwei Dritteln. Da immer mehr Rechenzentren gebaut werden, steigert sich dieser Einfluss.

Das Verhältnis zwischen Nutzen und Aufwand definiert die Ressourceneffizienz
Das Verhältnis zwischen Nutzen und Aufwand definiert die Ressourceneffizienz
(Bild: Ökoinstitut e.V.)

In der Nutzungsphase des Rechenzentrums tragen die Server am meisten zu den negativen Umweltwirkungen bei. Dabei liegt ihre Auslastung überwiegend um die 20 Prozent, selten bei 30 Prozent. Eine Erhöhung der Auslastung auf lediglich 50 Prozent könnte daher die Ressourceneffizienz deutlich erhöhen.

Außerdem gibt es gravierende Unterschiede zwischen Providern von Cloud-Services, zeigen erste Tests. So unterscheiden sich die Kohlendioxid-Ausstöße bei drei Angeboten für Cloud-Datenspeicherung um bis zu 30 Prozent.

Ein bundesweites Datacenter-Kataster

Die Studie bleibt nicht bei Messen und Testen stehen, sondern hat konkrete Vorschläge für politsiche Maßnahmen entwickelt. So soll ein bundesweites Rechenzentrumskataster entstehen. Jedes Rechenzentrum soll verbindlich einen Energie-Ausweis erhalten, der Verbrauch und Leistung zeigt. Diese Daten sollen unter anderem im Kataster öffentlich einsehbar sein, so dass Anwender sie in ihre Auswahlentscheidungen einbeziehen können.

Gaia-X ist eine 2019 gestartete gesamteuropäische Initiative zum Aufbau einer europaweit einheitlichen Regeln gehorchenden Daten- und Rechenzentrumsinfrastruktur. Die Studie empfiehlt, dass alle Rechenzentren im Gaia-X-Verbund mindestens die Anforderungen des „Blauen Engels“ für Rechenzentren erfüllen sollten. Bisher sind im Gaia-X-Konzept keinerlei Umweltanforderungen fixiert.

Bund und Länder sollen bei Datacenter-Ausschreibungen grundsätzlich die Erfüllung der Kriterien des Blauen Engels für Rechenzentrum als Mindestanforderung enthalten, um Maßstäbe zu setzen und entsprechende Nachfrage zu erzeugen.

Abwärmenutzung verbindlich einplanen

Auch das ist Neuland: Möglichkeiten zur Abwärmenutzung sollen bei Konzeption und Bau von Rechenzentren obligatorisch werden. Modularer Aufbau und bedarfsorientierte Skalierung sollen Überkapazitäten beenden und die Auslastung nach oben bringen.

Wer wirklich etwas bewegen will, wird wohl auch an die oft vielfachen Redundanzen bei Daten und Systemen herangehen müssen. Sie blasen Infrastrukturen auf. Eine direkte Empfehlung diesbezüglich gibt es aber nicht.

Außerdem sollen Monitoring-Instrumente entstehen, die dazu führen, dass Elektronikschrott aus Rechenzentren grundsätzlich einem geordneten Recycling zugeführt wird.

Ergänzendes zum Thema
Kommentar der Autorin

Die vorgeschlagenen Maßnahmen sind ein Anfang, doch handelt es sich nur um Vorschläge. Bekanntlich wird bei der politischen Umsetzung vieles nicht so heiß gegessen wie es gekocht wird, vor allem wenn viele Lobbyisten in der Suppe rühren.

Es darf also getrost daran gezweifelt werden, ob die Studien ohne einen happigen Kohlendioxidpreis, der auf jeder Wertschöpfungsstufe erhoben werden muss, bei der Datacenter-Branche oder den Anwendern irgendwelche breiten Wirkungen zeitigen. Löbliche Ausnahmen, die es auch heute schon gibt, natürlich ausgenommen. Das dürfte sich erst ändern, sobald ein happiger Ressourcenverbrauch ernsthaft sanktioniert wird oder heftig im Portemonnaie weh tut.

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Über den Autor

lic.rer.publ. Ariane Rüdiger

lic.rer.publ. Ariane Rüdiger

Freie Journalistin, Redaktionsbüro Rüdiger