Energie­effizienz im Rechen­zentrum

Der Strombedarf in der IT wächst und wächst. Im Jahr 2016 benötigten die rund 50.000 Rechenzentren in Deutschland laut einer Studie des Borderstep-Instituts 12,4 Milliarden kWh an Strom, das sind 4,2 Prozent mehr als im Jahr 2015. Das entspricht immerhin einem Anteil von 2,3 Prozent am gesamten Stromverbrauch hierzulande – Tendenz weiter steigend.

Wie erklärt sich diese Entwicklung? Zum einen wachsen in Zeiten der Digitalisierung und Big Data die Zahl der IT-Anwendungen und die zu speichernde Datenmenge rasant. Dies erfordert höhere Rechenleistung und damit mehr Server. Da jeder Server den zugeführten Strom größtenteils in Form von Wärme wieder abgibt, fallen neben den Stromkosten für den Betrieb noch die Ausgaben für die Kühlung an. Nach Angaben des Analystenhauses IDC kommen auf jeden Dollar, den der CIO für einen neuen Server ausgibt, 50 Cent für Stromversorgung und Kühlung.

Wichtigster Hebel gegen den hohen Stromverbrauch, steigende Kosten und für eine bessere Klimabilanz der Rechenzentren ist eine höhere Energieeffizienz. Es geht darum, die bestehende IT- und Gebäude-Infrastruktur so zu nutzen, dass man maximale Leistung mit minimalen Ressourcen erreicht. Die Frage lautet: Wie lässt sich die bestehende Infrastruktur (Kühlung, Strom, Platz etc.) am effizientesten mit neuester Technik nutzen beziehungsweise das bestmögliche Verhältnis von Ressourcenverbrauch zu benötigter Leistung erzielen?

PUE-Wert als Messgröße für die Energieeffizienz

Wichtigste Messgröße für die Energieeffizienz im Rechenzentrum ist der von der Organisation The Green Grid definierte Industriestandard Power Usage Effectiveness (PUE), sprich die Effizienz des Energieeinsatzes. Der Wert misst, wie viel eingesetzte Energie tatsächlich in Rechenleistung umgesetzt wird. PUE ist der Quotient der im Rechenzentrum eingesetzten Gesamtenergie (Total Facility Power Consumption) zum Energieverbrauch der IT-Geräte (IT Equipment Power Consumption).

IT Equipment Power ist der Stromverbrauch aller IT-Geräte im Rechenzentrum, sprich Server und anderer Rechner, Speicher und Netzwerksysteme, Switches, Monitore und weiterer Peripherie- und Telekommunikationsgeräte. Total Facility Power umfasst neben dem Stromverbrauch für die IT zusätzlich noch die Stromkosten für die Infrastruktur, die den IT-Betrieb unterstützt. Das sind Systeme wie USVs, Schaltanlagen, Batterien, Kühlsysteme, Pumpen, Beleuchtung etc. Abgelesen wird Total Facility Power ganz einfach am Stromzähler.

Der PUE-Wert liegt derzeit in bestehenden Rechenzentren bei durchschnittlich 1,9. Optimal ist ein theoretischer PUE-Wert von 1. In letzterem Fall fließt die gesamte Energie in die Rechner-Infrastruktur, das heißt, die IT benötigt den gesamten Strom des Rechenzentrums. Bei einem PUE-Wert von 1,3 werden 30 Prozent der Energie ineffizient genutzt, bei einem Wert von 1,9 wird fast die Hälfte der gesamten Energie nicht für den eigentlichen Zweck, sprich die Rechenleistung, verwendet, und Klimatisierung, USV etc. benötigen fast genauso viel Energie wie die IT selbst.

Hebel für eine bessere Energieeffizienz

Die Energieeffizienz verbessert sich beispielsweise durch den Einsatz energieeffizienter Komponenten, die bessere Auslastung der vorhandenen Serversysteme (Stichwort Virtualisierung) und vor allem eine bessere Klimatisierung.

Stromsparende Komponenten und Virtualisierung

Ein zentraler Schritt hin zur Energieeffizienz ist es, den Stromverbrauch von Hardware-Komponenten wie Netzteilen, Lüftern, Storage, Netzwerk-Komponenten oder vor allem Server-Prozessoren zu reduzieren. So legen die Prozessorhersteller mittlerweile ihre Multicore-Prozessoren auf energieeffiziente Leistung aus, damit sie selbst bei Höchstleistungen möglichst wenig Energie benötigen. Zudem verfügen sie über ausgefeilte Stromsparfunktionen. Beispielsweise sinken Taktfrequenz und Spannung des Prozessors automatisch, wenn Programme nicht die volle Rechenleistung abrufen; oder es werden nur diejenigen Teile der Prozessorkerne mit Strom versorgt, die gerade benötigt werden. Da die Prozessoren somit auch weniger Wärme abgeben, sinkt der Aufwand für die Klimatisierung.

Ein weiterer Schritt hin zu mehr Energieeffizienz im Rechenzentrum ist, die IT-Systeme zu konsolidieren und besser auszulasten. Das Schlüsselwort lautet Virtualisierung, mit der sich ein einzelner Server (Host) in mehrere virtuelle Systeme (Partitionen) aufteilen lässt. Damit reduziert sich die Zahl der eingesetzten Server, die Auslastung der Server steigt sowie Stromverbrauch, Platz- und Kühlungsbedarf sinken.

Optimierte Klimatisierung

Die größte Stellschraube für eine bessere Energieeffizienz im Rechenzentrum liegt in der optimierten Klimatisierung der Serverräume. Hier gibt es mehrere Ansatzpunkte.

Eine einfache Maßnahme ist die strikte Trennung von Kalt- und Warmluft und damit eine optimierte Luftführung im Rechenzentrum. Dies gelingt entweder durch die Einhausung des Kaltgangs, in dem die kalte Luft für die Kühlung zu den Servern strömt, oder des Warmgangs, in dem die Abwärme abfließt. Durch die strikte Trennung von Kalt- und Warmluft lässt sich die Lüfterdrehzahl der Umluftkühlgeräte minimieren und damit Strom sparen. Das Umluftkühlgerät saugt warme Luft an, kühlt sie und bläst sie mit entsprechender Temperatur in den Kaltgang ein. Die Kühlung gelingt durch einen internen Wärmetauscher, der von den außerhalb des Gebäudes aufgestellten Kühlaggregaten („Chiller“ oder Kaltwassersatz) mit Kaltwasser versorgt wird.

Indirekte freie Kühlung

Der nächste Schritt für eine höhere Energieeffizienz im Rechenzentrum ist die Anhebung der Raumtemperatur bzw. Einblastemperatur im Kaltgang. Diese Maßnahme verkürzt die Zeit für die erzwungene Kühlung und verlängert die Zeit für indirekt freie Kühlung. Hintergrund: Im besagten Kühlaggregat hebt eine Kompressionskältemaschine die Temperatur des Kühlmittels so weit an, dass es mit Umgebungsluft heruntergekühlt werden kann. Bei niedrigen Umgebungstemperaturen kann das Kühlmittel direkt, ohne Einsatz der Kältemaschine, mit der Außenluft abgekühlt werden. Dieses Verfahren wird indirekte freie Kühlung genannt. Der Energiebedarf ist umso geringer, je höher die Temperatur des Kühlmediums und je niedriger die Außentemperatur ist. Der Wirkungsgrad der Chiller steigt auch mit jedem Grad Raumtemperatur.

Ein Beispiel: Die ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) empfiehlt 27°C als Obergrenze für die Einblastemperatur der Luft im Kaltgang. Dadurch lässt sich die Wasservorlauftemperatur im Kaltwassersatz (= äußerer Kühlkreislauf) auf bis zu 21°C erhöhen; diese ist in der Regel um etwa 6°C niedriger als die Einblastemperatur. Das heißt: Man kann in diesem Fall ab einer Außentemperatur von 20 oder 21°C mit der Außenluft indirekt frei kühlen!

Intelligentes Powermanagement

Für höhere Energieeffizienz im Rechenzentrum sorgt auch intelligentes Powermanagement, das die Kühlanlagen mit einschließt. Moderne Steuerungssysteme bewirken, dass die Leistung der Kühlungssysteme an die Bedürfnisse der IT-Systeme angepasst wird. Das heißt: Laufen die Server gerade auf Hochtouren, arbeitet auch das Kühlsystem auf hohem Niveau. Entsprechend schaltet es seine Leistung herunter, wenn die Prozessoren weniger zu tun haben. Die Folge ist niedrigerer Stromverbrauch.

In einem ganzheitlichen, weitergehenden Ansatz gibt es noch folgende Möglichkeiten für die effiziente Klimatisierung von Serverräumen:

• Die Abwärme des Rechenzentrums lässt sich zum Heizen der Büroräume oder für die Warmwasserversorgung nutzen (Kraft-Wärme-Kopplung)
• Direkte Wasserkühlung der Racks ermöglicht höhere IT-Last beziehungsweise Energiedichte im Rack von 20 bis 30 kW/Rack. So lässt sich auch die Rechenzentrums-Infrastruktur durch die Energiedichte besser steuern, damit auch im Teillastbereich der optimale Energieverbrauch entsteht
• Erneuerbare Energien wie Photovoltaik oder Windenergie können den Strom für die Server und die Klimaanlage erzeugen
• Einsatz der adiabaten Kühlung, die über Verdunstungskälte Räume klimatisiert

Auch die Green IT Solution GmbH leistet mit ihrem Angebot an Refurbished Hardware einen wertvollen Beitrag zum Umweltschutz im Rechenzentrum. Das Unternehmen kauft vor allem (energieeffiziente) Netzwerk-Komponenten wie Server, Router oder Switches an und bereitet sie wieder auf. Allein durch den Kauf eines einzigen wiederaufbereiteten Switches sparen Firmen 190 kg CO₂ und 10.322 Liter Wasserentnahme ein. Green IT Solution hat in Zusammenarbeit mit dem Green Design Instituts der Carnegie Mellon University den Green IT Calculator entwickelt. Damit können Firmen ihre eingesparten Ressourcen für jedes gebrauchte Gerät messen.