Der Grad der Energie-Effizenz Was ist eigentlich Power Usage Effectiveness - PUE?

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Die Power Usage Effectiveness (PUE) ist eine technische Kennzahl, mit der sich die Energie-Effizienz eines Rechenzentrums darstellen lässt. Der PUE-Wert setzt die insgesamt in einem Rechenzentrum verbrauchte Energie ins Verhältnis zur Energie-Aufnahme der IT-Infrastruktur.

Je leistungsfähiger Rechenzentren werden, umso energie- und kostenintensiver werden sie. 2022 schluckten Rechenzentren laut Borderstep-Institut 17,9 Milliarden Kilowattstunden (kWh) oder 17.9 TWh (3,7 Prozent des deutschen Stromverbrauchs). Zum Vergleich: Die Stadt Berlin verbrauchte im selben Zeitraum etwas über 12 TWh.

Angesichts wachsender Klimaprobleme ist ein so hoher Energieverbrauch an sich keine gute Nachricht, weshalb Rechenzentren wenigstens energie-effizient arbeiten sollen. Das Maß dafür ist die Energie(verwendungs)effizienz, deutsch für PUE.

Eine optimale PUE hat den Wert 1. Dieser bedeutete, dass Kühlung und Klimatisierung im Vergleich zur Rechenenergie keinen energetischen Overhead verursachen. Allerdings ist dieser Wert praktisch nicht erreichbar, auch wenn manchmal anderes behauptet wird.

Weitere Ansätze für die Energie-Effizienzmessung im Rechenzentrum

Die PUE ist aber nicht der einzige Ansatz, die Effizienz der eingesetzten Energie zu berechnen. Das Ziel ist aber immer dasselbe: Alle Ansätze setzen die verbrauchte Energiemenge insgesamt und getrennt die für Rechnen sowie die Klimatisierung nötigen Energiemengen ins Verhältnis zueinander und bestimmen sie mengenmäßig.

So definiert beispielsweise die Organisation The Green Grid außer der PUE auch noch die Data Center Infrastructure Efficiency (DCiE) als Maß für die Energie-Effizienz im Rechenzentrum. DCIE ist der Kehrwert der PUE (1/PUE). Die PUE hat sich ihr gegenüber aber in der Praxis durchgesetzt.

Der Wert für die Energie-Effizienz berechnet sich als Quotient der insgesamt konsumierten elektrischen Energie (Gesamtenergieverbrauch) geteilt durch die von der IT-Infrastruktur aufgenommene elektrische Energie. Dabei umfasst die IT-Infrastruktur alle Server- Storage- und Netzwerkkomponenten samt ihrer Stromversorgungen und interner Lüfter sowie weiterer zu diesen Geräten gehörenden Komponenten.

Was genau messen PUE und DCIE?

Beide Parameter messen etwas anderes: Der PUE-Wert misst die Effizienz des Energieeinsatzes innerhalb einer bestimmten Periode. Sind längerfristige Werte gemeint, spricht man statt dessen von dem technischen Kennwert Energy Usage Effectiveness (EUE). Allerdings hat dieser Kennwert keine große praktische Bedeutung, auch die Gesetzgebung (Energieeffizienzgesetz) bezieht sich in ihren Regelungen auf die PUE als Maß der Dinge.

DCiE beschreibt den Wirkungsgrad der eingesetzten Energie. Der Parameter beschreibt damit den Wirkungsgrad der eingesetzten Energie. Optimal wäre ein Wirkungsgrad von 1, allerdings wird der in der Praxis zumindest heute noch nicht erreicht,

Wie ermittelt man den PUE-Wert?

Zunächst wird der Energieverbrauch am Stromzähler des Rechenzentrums oder in dessen Nähe gemessen. Ist eine genaue Trennung von anderen Verbrauchern nicht möglich, sollte der geschätzte Verbrauch, den die anderen Einrichtungen verursachen, vom Gesamtverbrauch eines Gebäudes etc. subtrahiert werden.

In der Folge muss nun die Last der IT-Infrastruktur – nach der Stromumwandlung, den Schaltvorgängen und die Spannungsaufbereitung – gemessen werden. Gemäß Green Grid soll der ideale Messpunkt am Ausgang der Verteiler des Rechnerraums liegen. Hier lässt sich die gesamte Energie erfassen, mit denen die Server-Racks versorgt werden.

Bewertung der Kennzahl PUE

Bei einem theoretischen Wert von 1 für die PUE würde die gesamte elektrische Leistung ins Rechnen fließen, Kühlung und Klimatisierung keine zusätzliche Energie verbrauchen. Heute erreichen hochmoderne, energetisch optimierte Rechenzentren Werte von bis zu 1,1 und darunter. Aber auch Werte bis 1,2 gelten schon als recht effizient. Hier werden dann 20 Prozent der Energie nicht zum Rechnen verwendet.

Das Uptime Institute gab für das Jahr 2020 die durchschnittliche PUE von Rechenzentren mit 1,55 an. Das heißt, der energetische Overhead der Kühlung liegt bei 55 Prozent zusätzlich zur Rechenenergie.

In der Bewertungsskala von Green Grid gelten PUE-Werte von 2,5 als ineffizient und Werte von 3,0 als sehr ineffizient. Wogegen PUEs von 2,0 als durchschnittlich, 1,5 als effizient und Werte kleiner 1,2 als sehr effizient gelten.

Status Quo der Umsetzung des Energie-Effizienzgesetzes bei den Rechenzentren

Zwischenbilanz nach 14 Monaten EnEfG von Prior1

Weniger Strom konsumieren, mehr Wärme nachnutzen ist das Ziel des EnEfG

Was ist das Energie-Effizienzgesetz und was davon betrifft Rechenzentren?

Nach aktuellen Daten des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie liegt der durchschnittliche RZ-PUE in Deutschland bei unter 1,5. Das bedeutet: Der anfangs rasante Abfall der PUE kann nicht mehr viel weiter gehen - die einfachen Optimierungsmaßnahmen sind ausgeschöpft, nun muss gründlich nachgedacht und geplant werden, um weitere Verbesserungen zu erzielen.

Energie-Effizienzgesetz stellt strenge Anforderungen an Rechenzentren

Allerdings sind weitere Optimierungen auf Dauer dennoch dringend nötig. Denn das in der vergangenen Legislaturperiode in Kraft getretene Energieeffizienzgesetz legt hier an deutsche Datacenter strengere Maßstäbe an,

Das Gesetz differenziert zwischen Bestands- und in Zukunft neu gebauten Datacenters.. Bestehende Einrichtungen wird ab Juli 2027 ein PUE-Wert von 1,5 vorgeschrieben - wobei dieser nach aktuellen Daten von Borderstep bereits heute meist unterschritten wird. Dieser Wert sinkt ab Juli 2030 auf einen PUE-Wert von 1,3. Neu gebaute Datenzentren müssen eine PUE von 1,2 erreichen.

Energie-Effizienz im Rechenzentrum - eine Frage des Messens

Wer nur auf die PUE schaut, der verliert

Der PUE-Wert ist damit auch eine technische Kennzahl für die Effizienz der nicht IT-relevanten Bereiche eines Rechenzentrums. Wird der Wert nur für einen Teil des Rechenzentrums ermittelt, spricht man von Partial Power Usage Effectiveness (pPUE).

EIne weitere Variante ist iPEU. Diese Form wird verwendet, wenn die PUE-Werte nicht über ein Jahr, sondern kürzer ermittelt werden.

Außerdem gibt es mittlerweile Verfeinerungen wie beispielsweise ITUE (IT-PUE) und TUE (Total Usage Effectiveness). ITUE bezieht alle Komponenten im Rack ein, aber kine anderen. TUE misst denselben Parameter auf Rechenzentrumsebene (siehe LInk unten für nähere Details).

Welche Verfahren gibt es, um weniger Energie für die RZ-Kühlung zu verbrauchen?

In absehbarer Zeit wird es wohl keine Universallösung für die Rechenzentrums-Kühlung geben. Vielmehr müssen die RZ-Betreiber aus einer ganzen Reihe unterschiedlicher Lösungen die in ihrem Fall beste Lösung auswählen. EIne Lösung, die in gemäßigten Breiten zu hohen Energieeinsparungen und damit einer Verbesserung der PUE führen kann, ist die freie Kühlung. Sie braucht keine energieintensiven Kältemaschinen und nutzt die Umgebungsluft der Räume.

Für ideale Zu- und Abluftströme innerhalb des Rechenzentrums sorgen unter anderem verschiedene parallel laufende Ventilatoren. Diese FanGrids lassen sich in jeder Anordnung und Größe verbauen, um die räumlichen Anforderungen vor Ort zu erfüllen.

Ein weiterer wichtiger Einflussfaktor ist die Lufttemperatur am Ein- und Ausgang, mit der Rechnersysteme betrieben respektive gekühlt werden: Je wärmer die Rechner sein dürfen, desto geringer ist der energetische Kühlungsaufwand. Ein wichtiger Teil der PUE-Absenkungen geht heute auf erhöhte Temperaturen in Kalt- und Warmgängen von Rechenzentren zurück.

Werden wegen der hohen Leistungsdichte von Systemen (ab maximal ca. 30 kW/Quadratmeter) zu Wasserkühlung direkt am Chip oder Immersionskühlung gegriffen, ergeben sich daraus erhebliche PUE-Senkungen, weil keine oder kaum energiefressende Raum- und Computerventilatoren mehr benötigt werden. Die statt dessen erforderlichen Pumpen fallen demgegenüber eher weniger ins Gewicht.

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