Energieeffizienz

Werkzeuge und Formen, Wellen und Zahnräder werden in Härte- und Nitrieröfen behandelt. 
Foto: Ferrum Edelstahlhärtere Gmbh

Projekt des Monats: Edelstahlhärterei profitiert von flexiblem Stromeinkauf

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Information

Energieeffizienz in Rechenzentren

Seit der Green-IT-Diskussion vor etwa zehn Jahren hat das Bewusstsein für Energieeffizienz in Rechenzentren an Bedeutung gewonnen. Trotzdem ist der Energiebedarf gestiegen. Das zeigt eine Studie des Borderstep Instituts, die gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut IZM erstellt wurde (Bitcom 2016). Seit dem Jahr 2010 stieg der Energiebedarf in Rechenzentren um 15 Prozent auf 12 Milliarden kWh/a an, das sind etwa 2 Prozent des gesamten Stromverbrauchs in Deutschland. Tendenz zunehmend: Im Jahre 2025 wird der Strombedarf bei ca. 16,4 Milliarden kWh/a liegen.

Abbildung 1: Energiebedarf der Server und Rechenzentren in Deutschland
Grafik: EnergieAgentur.NRW nach (Bitcom 2016)
Abbildung 1: Energiebedarf der Server und Rechenzentren in Deutschland
Grafik: EnergieAgentur.NRW nach (Bitcom 2016)

Energieverbraucher

Die Ursachen des gestiegenen Stromverbrauchs werden zukünftig im Wesentlichen durch die IT-Komponenten (Speicher, Server, Netzwerk) bestimmt. Heute liegt der Anteil der IT-Komponenten am Stromverbrauch bei über 50 Prozent. Die Ursache hierfür ist der steigende Strombedarf zur Datenspeicherung. Mit der fortschreitenden Digitalisierung wird diese Bedeutung trotz Effizienzverbesserung noch stark zunehmen. (Bitcom 2016)

Der Stromverbrauch der Infrastruktur (Klimatisierung, Stromversorgung, Sonstiges) wiederum wird im Verhältnis zum Stromverbrauch der IT-Systeme weiter zurückgehen. Dennoch liegt hier ein sehr großes Einsparpotenzial. Insbesondere bei kleineren Rechenzentren liegt der Anteil des durch die Infrastruktur eines Rechenzentrums verursachten Stromverbrauchs bei über 50 Prozent.

In Abbildung 2 sind die einzelnen Verbrauchssektoren und deren prozentualer Anteil am Gesamtstromverbrauch eines Rechenzentrums dargestellt, bezogen auf die Jahre 2008 und 2015.

Abbildung 2: Aufteilung des Stromverbrauchs eines typischen Rechenzentrums (ca. 1000 m2 Rechenzentrumsfläche) in den Jahren 2008 und 2015.
Grafik: EnergieAgentur.NRW nach (Bitcom 2016)
Abbildung 2: Aufteilung des Stromverbrauchs eines typischen Rechenzentrums (ca. 1000 m2 Rechenzentrumsfläche) in den Jahren 2008 und 2015.
Grafik: EnergieAgentur.NRW nach (Bitcom 2016)

Zur genaueren Analyse des Stromverbrauchs für die IT-Komponente,die Infrastruktur und der daraus abzuleitenden Stromeinsparpotenziale, erfolgt die Aufteilung wie in den Abbildungen 3 und 4 dargestellt.

Abbildung 3: Aufteilung des Stromverbrauchs der IT-Komponenten eines typischen Rechenzentrums (ca. 1000 m2 Rechenzentrumsfläche) in den Jahren 2008 und 2015.
Grafik: EnergieAgentur.NRW nach (Bitcom 2016)
Abbildung 3: Aufteilung des Stromverbrauchs der IT-Komponenten eines typischen Rechenzentrums (ca. 1000 m2 Rechenzentrumsfläche) in den Jahren 2008 und 2015.
Grafik: EnergieAgentur.NRW nach (Bitcom 2016)

Wie in Abbildung 3 ersichtlich, verbrauchen zwar die Server den meisten Strom, aber aufgrund des gestiegenen Datenvolumens ist in den letzten Jahren der Strombedarf für die Datenspeicherung stark angestiegen. Bei einzelnen Rechenzentren liegt der Strombedarf für die Speichersysteme bei über 50 Prozent.

Bei den Infrastrukturkomponenten wiederum sind die Klimatisierung (Lüftung, Luftverteilung und Kühlung) und die unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) die größten Verbraucher. Insbesondere im Bereich Klimatisierung sind in vergangen Jahren allerdings einige Maßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz umgesetzt worden, sodass der prozentuale Anteil des Strombedarfs für die Klimatisierung in den vergangenen Jahren gesunken ist. Auch bei kleineren Komponenten wie Monitoren und Beleuchtungsanlagen, in Abbildung 4 unter „Sonstiges“ zusammengefasst, gibt es noch Einsparpotenziale.

Abbildung 4: Aufteilung des Stromerbrauchs der Infrastruktur eines typischen Rechenzentrums (ca. 1000 m2 Rechenzentrumsfläche) in den Jahren 2008 und 2015
Grafik: EnergieAgentur.NRW nach (Bitcom 2016)
Abbildung 4: Aufteilung des Stromerbrauchs der Infrastruktur eines typischen Rechenzentrums (ca. 1000 m2 Rechenzentrumsfläche) in den Jahren 2008 und 2015
Grafik: EnergieAgentur.NRW nach (Bitcom 2016)

Bei Planung und Betrieb von Rechenzentren hat die Betriebssicherheit einen hohen Stellenwert. Oft wird ein Zielkonflikt zwischen Energieeffizienz und Betriebssicherheit angenommen; meist ist dieser Konflikt aber gar nicht vorhanden: Viele moderne Systeme sind bereits sowohl energieeffizient als auch ausfallsicher (Bitcom 2016).

Stromeffizienzmaßnahmen IT-Systeme

Die Maßnahmen zur Reduzierung des Stromverbrauchs bei den IT-Systemen sind in Tabelle 1 dargestellt. Organisatorische Maßnahmen lassen sich mit relativ geringen Kosten umsetzen. Technische Maßnahmen hingegen sind in der Regel kostenintensiver.

Organisatorische Maßnahmen

 
  • Beschaffung energieeffizienter Hardware
  • Asset- und Lifecycle-Management
Technische Maßnahmen


 
  • Virtualisierung / Konsolidierung
  • Effizienzmaßnahmen Netzwerk
  • Effizienzmaßnahmen Speicher (Storage)
  • Effizienzmaßnahmen Server

Tabelle 1: Maßnahmen zur Stromeinsparung bei IT-Systemen (EnergieAgentur NRW)

Beschaffung energieeffizienter Hardware

Die energieeffiziente Beschaffung für einen energie- und ressourceneffizienten Rechenzentrumsbetrieb ist in den Zertifizierungskriterien für den Blauen Engel vorgeschrieben (RAL und Umweltbundesamt 2015). Ein einheitliches und anerkanntes Verfahren zur Energieeffizienz z.B. Rechnerleistung pro Watt für Server, gibt es noch nicht.

Grundsätzlich gilt: Server und andere IT-Komponenten sollten über besonders effiziente Netzteile verfügen. Ansatzpunkte zur Reduzierung des Strombedarfs sind:

  • Zeitgesteuerte Ab- und Anschaltung
  • Verzichtbare Programme identifizieren und nicht genutzte Programme entfernen
  • Effiziente Datenhaltung 

Asset- und Lifecycle-Management

Asset-Management ist die Verwaltung der IT-Komponenten unter Betrachtung der aktuellen Nutzung. Eine Person oder ein automatisiertes System achtet beispielsweise darauf, dass nicht mehr benötigte Komponenten aus dem Bestand genommen werden. Noch wirkungsvoller ist das Lifecycle-Management für alle IT-Komponenten Hierzu zählen nach (dena 2015):

  • Verwaltung der Nutzung und Auslastung
  • Verwaltung des Energieverbrauchs
  • Erhöhung der Leistungsdichte und Senkung des Energiebedarfs
  • zeitnaher Rückbau von nicht mehr benötigten Komponenten

Virtualisierung / Konsolidierung

Konsolidierung bedeutet das Zusammenlegen von kleinen Rechenzentren zu einer größeren Einheit. Es gilt: Je geringer die Anzahl der Server ist, desto geringer ist der Energieverbrauch.

Bei der Virtualisierung werden logische Systeme von der realen physischen Hardware abstrahiert. So ist etwa der parallele Betrieb verschiedener Betriebssysteme auf den gleichen Sever möglich. Nachweisbar kann durch die Servervisualisierung bis zu 80 Prozent des Strombedarfs eingespart werden

Effizienzmaßnahmen Netzwerk

Der Netzwerkanteil beim Stromverbrauch eines Rechenzentrums ist zwar vergleichsweise gering, es lassen sich aber auch hier Optimierungs- und Einsparpotenziale finden. Wichtige Handlungsbereiche sind:

  • Platzierung der Netzwerkelemente
  • Konsolidierung der Netzwerkelemente
  • Architektur und Design der gesamten Netzwerkinfrastruktur
  • Redundanzen
  • Konsolidierung der Netzwerkelemente

Effizienzmaßnahmen Speicher (Storage)

Der Strombedarf für die Datenspeicherung hat aufgrund des steigenden Datenvolumens in den vergangenen Jahren stark zugenommen.

Bei einzelnen Rechenzentren liegt der Strombedarf der Speichersysteme bei bis zu 50 Prozent. Zur Reduzierung des Strombedarfs für die Datenspeicherung sind folgende Maßnahmen zu empfehlen

  • Effiziente Datenhaltung (Deduplizieren): Das Grundprinzip der Deduplizierung beruht darauf, dass mehrfach vorhandene Daten mithilfe eines speziellen Verfahrens nur einmal gespeichert und gesichert werden. Je nach Art der Daten verringert sich Speicherbedarf um bis zu 90 Prozent. Neben dem Platzbedarf reduziert sich auch die notwendige Kühlleistung.
     
  • Effiziente Datenbereitstellung (Thin Provisioning): Das Thin Provisioning macht sich zunutze, dass moderne Speichersysteme virtuelle Festplatten zur Verfügung stellen. Dem Abnehmer (Server) wird dabei mehr Kapazität zur Verfügung gestellt als im Speichersystem dafür vorgehalten wird. Dieses Vorgehen schöpft die brach liegenden Kapazitäten auf Harddisks aus. Diese Form der Datenbereitstellung senkt die Investitionskosten und führt zu deutlichen Einsparungen beim Energieverbrauch.
     
  • Effiziente Datenaufteilung (Storage Tiering): Storage Tiering ist eine Methode, Daten je nach Häufigkeit der Zugriffe auf unterschiedliche Speichermedien – so genannte Storage Tiers – abzulegen. Dabei werden die Daten auf ihre Zugriffe überwacht und je nach Anzahl dieser Zugriffe verschoben. Eine Backup-Datei, auf die Anwender nur selten zugreifen, muss nicht zwangsläufig auf einer High-Speed-Festplatte vorliegen. Kommt zum Beispiel ein Bandlaufwerk statt einer Festplatte zum Einsatz, verringert das den Energiebedarf um etwa 90 Prozent.

Effizienzmaßnahme Server

Etwa 65 Prozent des Energiebedarfs von IT-Hardware werden durch Volumen-Server verursacht. Das liegt im Wesentlichen daran, dass die Server nur sehr gering ausgelastet sind. Niedrige Auslastung bedeuten aber schlechte Wirkungsgrade.

Zur Reduzierung des Stromverbrauchs bei Servern lassen sich zwei Vorgehensweisen unterscheiden:

  • energetische Optimierung der Hardware durch die richtige Komponenten- und Softwareauswahl.
  • Erhöhung der Serverauslastung durch Verbesserung des Betriebes, s. Abbildung 5

Abbildung 5: Server mithilfe von Virtualisierung optimal auslasten.
Grafik: EnergieAgentur.NRW nach (dena 2015)
Abbildung 5: Server mithilfe von Virtualisierung optimal auslasten.
Grafik: EnergieAgentur.NRW nach (dena 2015)

Stromeffizienzmaßnahmen Infrastruktur

Wie in Abbildung 2 dargestellt liegt der Anteil des Stromverbrauchs für die Infrastruktur eines Rechenzentrums bei 40 bis 50 Prozent. In Zukunft wird der Stromverbrauch für die Infrastruktur im Verhältnis zum Stromverbrauch für die IT-Systeme weiter zurückgehen. Dennoch gibt es durch den Einsatz innovativer Technik ein großes Einsparpotenzial. Die Infrastruktur eines Rechenzentrums umfasst die folgenden Bereiche (Bitcom 2016):

  • Klimatisierung (Kühlung, Lüftung, Luftverteilung)
  • Unterbrechungsfreie Stromversorgung (UVS)
  • Sonstiges (Beleuchtung, Betriebssicherheit)

Effizienzmaßnahmen Klimatisierung

Neu geplante Rechenzentren verfügen in der Regel über eine sehr effiziente Klimatisierung.  Aber auch bestehende Rechenzentren lassen sich durch gezielte Maßnahmen klimatechnisch optimieren. Folgende Faktoren sollten berücksichtigt werden:

  • Maximale Zuluft-Temperatur nutzen: Früher herrschte die Überzeugung, dass der Serverraum eines Rechenzentrums aufunter 18°C gekühlt werden muss. Heute wird eine Temperatur von bis zu 27 Grad Celsius empfohlen. Jedes Grad weniger bedeutet einen höheren Stromverbrauch.
     
  • Luftführung über Doppelboden: Das Prinzip des Luftaustritts durch einen Doppelboden bietet sich für die steigenden Anforderungen an das Raumklima in Rechenzentren an.Bei Einsatz eines Doppelbodenhohlraums zur Luftführung muss dafür gesorgt werden, dass die gekühlte Zuluft an den Ort gelangen, wo sie gebraucht wird. Dazu muss vermieden werden, dass sich gekühlte Zuluft mit warmer Serverabluft vermischt.
     
  • Trennung von Kalt-und Warmluft: Um eine Vermischung von kalter Zuluft aus dem Doppelboden mit der warmen Ablauf der IT-Komponenten zur vermeiden, sollten die Racks (Serverschränke) in einer Kalt-/Warmgang Aufstellung angeordnet werden. Das heißt, dass sich die Rack-Vorderseiten in einem Gang direkt gegenüberstehen. Über den Kaltgang wird die Hardware mit gekühlter Luft versorgt. An den jeweiligen Rückseiten der Server-Schränke strömt die Warmluft frei in den umgebenden Raum ab (s. Abbildung 6).

Abbildung 6: Trennung Kalt- und Warmluft mit Doppelboden.
Grafik: EnergieAgentur.NRW nach (dena 2015)
Abbildung 6: Trennung Kalt- und Warmluft mit Doppelboden.
Grafik: EnergieAgentur.NRW nach (dena 2015)

  • Indirekte Freikühlung / direkte Freikühlung: Bei der indirekten Freikühlung gibt es keinen direkten Kontakt zwischen dem Kühlmedium und der Raumluft. Ein Luft-Wasser-Wärmetauscher übernimmt die Rückkühlung. Die Temperaturdifferenz zwischen Außenluft und Kaltwasser sollte drei Kelvin betragen.
    Mit einem leistungsfähigen Kälteregister lässt sich der notwendige Unterschied auf 1,5 bis 1,0 Kelvin reduzieren. Bei der direkten Freikühlung kommen die Luftmassen in direkten Kontakt. Zur Aufrechterhaltung der Luftqualität kommen Filteranlagen sowie Luftbefeuchter zum Einsatz. Aus Sicht der Energieeffizienz ist darauf zu achten, dass die Druckverluste durch die Filter möglichst gering bleiben, um den Energiebedarf zu minimieren.
     
  • Einsatz von Klimageräten: Am Markt gibt es eine Vielzahl von Klimageräten. Ein wesentliches Kriterium für die Effizienz von Klimageräten ist die Größe der Wärmeübertragungsfläche. Präzisionsklimageräte besitzen im Vergleich zu Komfortklimageräten eine wesentlich größere Wärmeübertragungsfläche. Zusätzlich wird die bessere Energieeffizienz durch eine höhere Regelgenauigkeit erreicht. Deshalb sind die Präzisionsklimageräte auch sehr gut für den Teillastbetrieb, zum Beispiel am Wochenende, geeignet.

Effizienzmaßnahmen bei der unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV)

Sollte es in einem Rechenzentrum zu einem Stromausfall kommen, sichert eine unterbrechungsfreie Stromversorgung den Betrieb. Eine USV besteht aus Akkumulatoren bzw. Batterien, Stromrichtern und einer elektronischen Regelung.

Aufgrund der zweifachen Wandlung – Wechselstrom im Netz und Gleichstrom für die Batterie – hat eine USV oft Verluste von bis zu 10 Prozent. Mit hocheffizienten USV lassen sich die Verluste um etwa die Hälfte oder mehr verringern. Bei einer Reihenschaltung mehrerer USV addieren sich die Verluste.

Für die Energieeffizienz der unterbrechungsfreien Stromversorgung sind folgende Maßnahmen zu empfehlen (dena 2015):

  • USV optimal auslasten
  • Beim Kauf der USV darauf achten, dass der Wirkungsgrad höher als 90 Prozent ist. Moderne USV-Anlagen erreichen Wirkungsgrade von 95 Prozent. Gleiches gilt für die Netzteile.
  • Reihenschaltung vermeiden
  • Prüfen, ob alternative USV-Systeme einsetzbar sind.

Kennwerte

Gemessen wir die Effizienz der Infrastruktur mit der Power Usage Effectiveness (PUE). Die PUE gibt an, wie hoch der Stromverbrauch des Gesamtrechenzentrums in Relation zum Stromverbrauch der eigentlichen IT ist. Gesamtstromverbrauch Rechenzentrum (RZ) PUE Stromverbrauch  IT-Systeme

  • Der PUE ist immer größer 1. Ein Rechenzentrum mit niedrigem PUE ist effizienter als ein Rechenzentrum mit einen großen PUE.
  • Der PUE ist von der Außentemperatur abhängig, da die Effizienz der Kühlung ebenfalls von der Außentemperatur abhängig ist.
  • In der Praxis gibt es eine große Spannweite der PUE-Werte. Bei neuen, großen Rechenzentren liegt der Wert zwischen 1,1 bis 1,6; bei kleinen und älteren Rechenzentren liegt der Wert bei 3.

Zur besseren Orientierung sind in Tabelle 1 einige PUE-Werte auf Basis von Studien bzw. Angaben von Betreibern von Rechenzentren zusammengefasst (Bitcom 2016):

Quelle φ PUE
Deutsche Telekom (T-Systems, 2014) 1,64
Google-Rechenzentrum 1,12
Vodafone Rechenzentren und Europa 1,46
Marktforschung IDC für kleine Rechenzentren 2,40
BMWI-Studie, Durchschnittliche Rechenzentren in Deutschland 2015 1,80

Tabelle 2: Durchschnittliche PUE-Werte für Rechenzentren

Fazit

Nach einer Untersuchung des Bundeministeriums für Umwelt kann der Stromverbrauch eines durchschnittlichen Bestands-Rechenzentrums durch gezielte Maßnahmen um 35 Prozent reduziert werden. Die Konsolidierung von Rechenzentren, Virtualisierung und Cloud-Computing (Zentralisierung von IT-Leistungen) führen dazu, dass sich die Struktur der Rechenzentren laufend verändert. Der Trend geht klar zu großen Zentren. Das gilt insbesondere vor dem Hintergrund der zu verarbeitenden Datenmengen bei der fortschreitenden Digitalisierung unserer Gesellschaft. Die neuen großen Rechenzentren werden deutlich effizienter sein als Rechenzentren im Bestand.

Stand: Dezember 2016

Bundesverband Informationswirtschaft Telekommunikation und neue Medien e.V. (Bitcom e.V.). Energieeffizienz in Rechenzentren. Leitfaden. Berlin, 2015.

Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena). Leistung steigen, Kosten senken: Energieeffizienz im Rechenzentrum. Berlin, 2015

RAL und Umweltbundesamt. „Energieeffizienter Rechenzentrenbetrieb.“ Berlin, 2015. www.blauer-engel.de/de/produktwelt/buero/rechenzentren (Zugriff am 8. Dezember 2016).

Dipl.-Ing. Gerald Orlik
Stv. Leiter Energieeffizienz: Klimaschutz in Industrie und Gewerbe
Wissensmanagement

EnergieAgentur.NRW
0202 2455233
orlik@energieagentur.nrw
XING
LinkedIn

Dipl.-Ing. Ina Twardowski
Energieanwendung, Klimaschutz in Industrie und Gewerbe
EnergieAgentur.NRW
0202 2455245
twardowski@energieagentur.nrw
www.ea.nrw/energieeffizienz/unternehmen

Sie erreichen die EnergieAgentur.NRW außerdem werktags von 8 bis 18 Uhr über die Hotline unter 0211 - 8371930.