Bundesregierungsprogramm zum Energiesparen in Datacenter

Step up! fördert Effizienzmaßnahmen in Rechenzentren

| Autor / Redakteur: Dr. Kirsten Kubin und Martin Richter* / Ludger Schmitz

Beim Programm Step up! des Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi), geht es um einen Wettbewerb zum Energiesparen. Es winken Fördergelder.
Beim Programm Step up! des Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi), geht es um einen Wettbewerb zum Energiesparen. Es winken Fördergelder. (Bild: knipseline / pixelio.de)

Ein Förderprogramm des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie bietet Unternehmen finanzielle Anreize, mit hocheffizienten Technologien ihren Stromverbrauch zu senken und somit ihre Wettbewerbsfähigkeit zu stärken.

Mit einem Stromverbrauch von zwölf Milliarden Kilowattstunden pro Jahr gehören Rechenzentren zu den großen Stromverbrauchern in Deutschland. Vor dem Hintergrund einer voranschreitenden Digitalisierung wird ihr Stromverbrauch künftig noch weiter ansteigen (siehe: Abbildung 1).

Abbildung 1: Aufschlüsselung des jährlichen Strombedarfs von Rechenzentren in Deutschland, Quelle Borderstep 2015 auf Basis von Stobbe, et.al. 2016; Stromverbrauch: Statistisches Bundesamt und BMWi
Abbildung 1: Aufschlüsselung des jährlichen Strombedarfs von Rechenzentren in Deutschland, Quelle Borderstep 2015 auf Basis von Stobbe, et.al. 2016; Stromverbrauch: Statistisches Bundesamt und BMWi (Bild: Kubin/Richter)

Während es der IKT-Industrie in den vergangenen Jahren bereits gelungen ist, die Effizienz von IT-Equipment kontinuierlich zu steigern, bleiben investive Maßnahmen in Infrastrukturkomponenten von Rechenzentren vielerorts aus. Insbesondere bei Komponenten wie Kühlung und Lüftung oder der unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) schlummern noch hohe Einsparpotenziale. Für die Realisierung dieser Potenziale bieten sich verschiedene Maßnahmen an, darunter beispielsweise die folgenden:

  • Anhebung der Serverraumtemperatur beziehungsweise Temperaturspreizung durch optimierte Luftführung (Zum Beispiel Kaltgangeinhausung, lastabhängige Ventilatorregelung),
  • Einsatz freier Kühlung,
  • Einsatz geregelter Kälte-Erzeuger und Pumpen,
  • Verbesserung des Energy Efficiency Ratios (EER) von Klima-Anlagen
  • (unter anderem abgeführte Wärmemenge / Stromverbrauch Kältebereitstellung),
  • Einsatz effizienterer Transformatoren,
  • Verringerung Stand-by-Verbrauch der Notstromversorgung,
  • Einsatz effizienterer USVs.

Mit dem Ziel, Unternehmen dabei zu unterstützen, diese bedeutenden Effizienzpotenziale zu heben, nimmt das Förderprogramm „STEP up! – StromEffizienzPotentiale nutzen!“ aktuell die Umsetzung von Effizienzmaßnahmen in Rechenzentren in den Fokus und bietet attraktive Fördermöglichkeiten.

Die nachstehende Abbildung zeigt Teilsysteme von Rechenzentren im Überblick, an denen sich im Rahmen von STEP up! förderfähige Effizienzmaßnahmen durchführen lassen.

Abbildung 2: Ansatzpunkte von Teilsystemen in Rechenzentren für förderfähige Maßnahmen im Rahmen des Förderprogramms Step up!
Abbildung 2: Ansatzpunkte von Teilsystemen in Rechenzentren für förderfähige Maßnahmen im Rahmen des Förderprogramms Step up! (Bild: Kubin/Richter)

Das im Juni 2016 vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) initiierte Programm funktioniert grundsätzlich wie ein normales Förderprogramm, ist jedoch um eine wettbewerbliche Komponente ergänzt: In zwei Ausschreibungsrunden pro Jahr (Frühjahr und Herbst) reichen Unternehmen ihre Stromeffizienzprojekte ein und treten mit anderen Unternehmen in einen Wettbewerb um die Fördergelder. Den Zuschlag erhalten dabei die Projekte, die die besten Kosten-Nutzen-Verhältnisse aufweisen, also die Projekte, welche die höchsten Stromeinsparungen pro „Förder-Euro“ erbringen.

Autorin Dr. Kirsten Kubin
Autorin Dr. Kirsten Kubin (Bild: K. Kubin)

Pro Ausschreibungsrunde laufen jeweils zwei Ausschreibungsarten parallel zueinander:

  • Zum einen die offene Ausschreibung, welche Technologie- und Sektor-offen ausgestaltet ist und an welcher sich Unternehmen aller Branchen beteiligen können, zum anderen die so genannte „geschlossene Ausschreibung“, die jeweils bestimmte Sektoren, Technologien oder Themenbereiche adressiert, die hohe Effizienzpotenziale und gleichzeitig hohe Hemmnisse aufweisen.

Da sie somit pro Runde nur einer bestimmten Gruppe von Unternehmen offen stehen, bieten die geschlossenen Ausschreibungen besonders attraktive Wettbewerbsbedingungen. (Für weitere Informationen zu STEP up! siehe: Infokasten).

Ergänzendes zum Thema
 
Step up! Die Infos

Für Rechenzentren sind Investitionen in Effizienzmaßnahmen grundsätzlich wirtschaftlich sehr attraktiv, da Stromkosten einen bedeutenden Anteil der Betriebskosten von Rechenzentren einnehmen. Allein durch Maßnahmen im Bereich der Kälteverteilung und -erzeugung lassen sich je nach Rahmenbedingungen bis zu 40 Prozent des Stromverbrauchs und damit der Stromkosten einsparen.

Autor Martin Richter
Autor Martin Richter (Bild: M. Richter)

Im Folgenden werden zwei Beispiele konkreter Effizienzmaßnahmen für diesen Bereich gegeben und anschließend die jeweiligen Fördermöglichkeiten im Rahmen von STEP up! verdeutlicht.

Fallbeispiel 1: Effiziente Kälteverteilung durch Kaltgangeinhausung

Üblicherweise wird in Rechenzentren die Kaltluft über einen doppelten Boden in den Server-Raum eingebracht und anschließend mittels ungeregelter Lüfter in den Klimaschränken auf die einzelnen Reihen der Server-Racks verteilt. Durch den Ansatz einer ungeregelten Lüftung entstehen deutlich überdimensionierte Volumenströme an Kaltluft.

Darüber hinaus sind die Kaltluftströme der Klimaschränke und der internen Lüfter der Hardwarekomponenten mitunter nicht aufeinander abgestimmt, wodurch es zu Querströmungen zwischen den warmen und kalten Luftbereichen kommen kann. Als Folge muss die Temperatur der Kaltluft weiter abgesenkt werden, um die resultierende Temperaturerhöhung der Zuluft zu kompensieren.

Einen möglichen Ansatz zur Optimierung der Kühlung in Server- und Rechenzentren stellt die bedarfsgerechte und lokal kontrollierbare Temperaturregulierung mittels einer so genannten Kaltgangeinhausung dar. Hierbei trennen bauliche Maßnahmen an den Server-Racks die Kalt- und Warmluftströme strikt voneinander. Das vermeidet eine Durchmischung von Zu- und Abluft durch unkontrollierte Querströmungen, was einer geringere Kühlung der Zuluft erfordert.

Abbildung 3: (links) Vor Umsetzung der Maßnahme; (rechts) Nach Umsetzung der Maßnahme, Quelle Bitkom 2010
Abbildung 3: (links) Vor Umsetzung der Maßnahme; (rechts) Nach Umsetzung der Maßnahme, Quelle Bitkom 2010 (Bild: Kubin/Richter)

Zudem kann eine zusätzliche Druckdifferenzregelung der Lüfter in den Klimaschränken eine Reduzierung des Volumenstroms erreichen und damit die insgesamt umgewälzte Kühlluftmenge weiter reduzieren. In Summe lassen sich durch derartige Maßnahmen Stromeinsparungen von sieben bis 15 Prozent für den Bereich der Kälteversorgung realisieren.

Fallbeispiel 2: Effiziente Kälte-Erzeugung durch bedarfsgerechte Steuerung und Nutzung freier Kühlung

Der wesentliche Anteil der in Rechenzentren verbrauchten Energie wandeln Hardwarekomponenten in Wärme um. Um ein Überhitzen zu vermeiden, muss eine Kühlung der IT-Komponenten erfolgen. Die Kälteversorgung wird dabei auf die Wärmemenge ausgelegt, welche bei maximaler Auslastung der IT-Komponenten entstehen würde und somit abzuführen wäre. In der Regel wird die maximale IT-Last jedoch selten erreicht, wodurch die Kälteversorgung für einen Großteil der Betriebszeit überdimensioniert ist.

Bei ungeregelten Kälte-Erzeugern besteht die einzige „Steuerungsmöglichkeit“ in einem An- und Abschaltbetrieb. Aus Effizienzgründen empfiehlt es sich, einen neuen leistungsgeregelten Kompressor (mit Frequenzumrichter) einzusetzen. Der ständig wechselnde Kältebedarf kann dadurch mit jeweils angemessener Leistung versorgt werden. Auf diese Weise lassen sich Effizienzsteigerungen in Höhe von 5 bis 10 Prozent erzielen.

Noch effizienter als mit Kompressionskältemaschinen lässt sich die Kälte durch freie Kühlung erzeugen: Wenn die Außentemperatur geringer ist als die benötigte Temperatur des Kühlwassers, lässt sich dieses über einen Freikühler fahren und mithilfe der Umgebungsluft kühlen. Der Effizienzgewinn durch den Einsatz von Freikühlern ist dabei abhängig von den klimatischen Bedingungen am Standort und der im System ausgelegten Kühlwassertemperatur: Je kühler das Klima und je höher die ausgelegte Kühlwassertemperatur desto höher der Effizienzgewinn. Maßnahmen, wie die oben genannte Kaltgangeinhausung stellen somit eine ideale Ergänzung der freien Kühlung dar.

Fördermöglichkeiten für die Fallbeispiele im Rahmen von Step up!

Bei Step up! können bis zu 30 Prozent der Investitionsmehr- und -nebenkosten (zum Beispiel Montage, Installation, Messeinrichtungen), die für die Effizienzsteigerung erforderlich sind, als förderfähige Kosten angesetzt werden. Dient eine Maßnahme ausschließlich der Effizienzsteigerung können folglich bis zu 30 Prozent der Gesamtinvestitionskosten gefördert werden. Dies ist im vorliegenden Beispiel der Fall, und somit lassen sich maximal 30 Prozent der gesamten Investitionskosten (inklusive Nebenkosten) als förderfähige Kosten geltend machen (siehe: Abbildung 4).

Abbildung 4: Fördermöglichkeiten für die Fallbeispiele Kaltgangeinhausung sowie Optimierung Kälte-Erzeugung und freie Kühlung im Rahmen von Step up!
Abbildung 4: Fördermöglichkeiten für die Fallbeispiele Kaltgangeinhausung sowie Optimierung Kälte-Erzeugung und freie Kühlung im Rahmen von Step up! (Bild: Kubin/Richter)

Der Kosten-Nutzen-Wert der Maßnahme errechnet sich nun aus der beantragten Fördersumme (Kosten) und der Stromeinsparung, welche über die gesamte Nutzungsdauer der Technik erzielt wird (Nutzen).

Hinweis: Start der 3. Ausschreibungsrunde: Seit 1. März können sich Unternehmen erneut bewerben - bis zum 31. Mai. Dieses Mal sind Rechenzentren ganz besonders im Fokus. (siehe auch: Kasten)

* Dr. Kirsten Kubin ist Projektleiterin Step up! im Berliner Unternehmen Ökotec. Martin Richter ist Projektleiter Step up! im VDI/VDE-IT.

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