Geringerer Stromverbrauch

Energiefressern einen Riegel vorschieben

16. November 2022, 8:52 Uhr | Autor: Günter Eggers / Redaktion: Lukas Steiglechner | Kommentar(e)
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© Vladimircaribb / 123rf

Rechenzentren zählen zu den großen Energieverbrauchern. Ein Umstand, den die fortschreitende Digitalisierung weiter verstärkt. Doch Betreiber haben die Möglichkeit, ihre Rechenzentren effizienter zu gestalten. Vor allem in den Bereichen Kühlung, Abwärme und Stromversorgung gibt es Potenzial.

Videokonferenzen sparen Dienstreisen ein, Onlineshopping ersetzt die Autofahrt ins Einkaufszentrum und smarte Mess- und Steuerungstechnik senkt den Energieverbrauch in Gebäuden sowie der Produktion. Digitale Lösungen leisten einen entscheidenden Beitrag beim Umwelt- und Klimaschutz. Allerdings tragen sie selbst zu einem erhöhten Energie- und Ressourcenverbrauch bei. So stieg etwa der Strombedarf in Rechenzentren, Server-Räumen und einzelnen Server-Schränken in Deutschland zwischen 2010 und 2020 von 10,5 auf 16 Milliarden Kilowattstunden – allein dieser Teil der digitalen Infrastruktur hat damit einen höheren Stromverbrauch als die ganze Stadt Berlin.

Neben der Energie für den Betrieb der Server, der Speichersysteme und anderer IT-Komponenten wird auch Strom für die unterstützende Infrastruktur, allen voran die Kühlung, benötigt. Inzwischen liegt die durchschnittliche Power Usage Effectiveness (PUE) von Rechenzentren bei 1,5 oder darunter. Ein PUE-Wert von 1,5 sagt aus, dass im Jahresmittel für jede Kilowattstunde Serverenergie zusätzlich 0,5 Kilowattstunden Hilfsenergie benötigt werden. Mit dieser technischen Kennzahl lässt sich die Energieeffizienz eines Rechenzentrums beziffern. Ein Grund für die Steigerungen bei der Effizienz ist die bessere Bilanz aller Komponenten. Hinzu kommt, dass bei den meisten Rechenzentren längst höhere Kühltemperaturen von 21 bis 27 Grad normal sind, wobei sich die Abwärme in der kalten Jahreszeit gut nach außen abgeben lässt, während im Hochsommer der Strombedarf für die Kühlung steigt.

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Energieverbrauch der Kühlung

Unabhängig davon gibt es zahlreiche Hebel, um den CO2-Fußabdruck zu verbessern. Bei der konventionellen Kühlung mit großen Kältemaschinen werden bisher hauptsächlich synthetische Kühlmittel eingesetzt, die wegen ihres Treibhausgaspotenzials in der Kritik stehen und sich nicht mit Umweltsiegeln wie dem Blauen Engel in Einklang bringen lassen. Aufgrund der Klimawirkungen und der künstlichen Verknappung infolge der F-Gase-Verordnung der Europäischen Union könnten künftig häufiger Kältemaschinen mit natürlichen Kältemitteln wie Wasser, Ammoniak oder auch Propan zum Einsatz kommen. Auch die Kühlung mit Frischluft kann einen positiven Effekt haben. Sie macht ein Rechenzentrum effizienter, weil dafür nur wenig Strom benötigt wird – im Prinzip reicht es, die kühle Außenluft durch das Rechenzentrum zu blasen. In der Praxis sind jedoch meist zusätzliche Filter sowie Be- beziehungsweise Entfeuchter notwendig, um die Luft zu reinigen und die passende Feuchtigkeit zu gewährleisten, damit die IT-Hardware keinen Schaden nimmt. Dennoch ist die direkte freie Kühlung effizienter als die indirekte Kühlung mit Außenluft, die zwar ohne Filter und Entfeuchter auskommt, bei der die Wärme aber aus einem geschlossenen internen Kühlkreislauf über Wärmetauscher an die Außenluft abgegeben werden muss. Dies ist immer mit Effizienzverlusten verbunden.

Letztlich sind bei der Kühlung mit Luft aufgrund physikalischer Grenzen aber nur noch geringe Effizienzverbesserungen möglich, weshalb zukünftige Rechenzentren stärker auf Flüssigkühlungen setzen müssen. In der einfachsten Variante sind das Rückwandkühlungen, bei denen die heiße Luft von den IT-Systemen nach hinten durch einen wassergekühlten Wärmetauscher in der Rack-Rückwand geblasen wird. Dies bietet sich vor allem bei hohen IT-Lasten und entsprechend stark drehenden Lüftern an. Effizienter ist es, auf Luft und Lüfter zu verzichten und das kühlende Wasser direkt zu den IT-Komponenten zu bringen. Es durchfließt dann die auf Prozessoren, Speichern und anderen Komponenten sitzenden Kühlkörper, was eine effektive Wärmeableitung erlaubt. Zudem liegt das Temperaturniveau der Abwärme mit 40 bis 60 Grad Celsius deutlich über dem von Kühlsystemen mit Luft, sodass sich die Wärme selbst im Hochsommer ausleiten lässt. Im High Performance Computing-Bereich sind solche direkten Flüssigkühlungen bereits Standard – bis es auch in konventionellen Colocation-Rechenzentren so weit ist, wird es indes noch dauern, da die Umrüstung der Hardware technisch und kommerziell anspruchsvoll ist.

Eine weitere Variante der Flüssigkühlung ist die Immersionskühlung. Hier werden die Server und Speichersysteme selbst in eine Flüssigkeit getaucht, die Wärme gut ableiten kann, aber keinen Strom leitet. Allerdings erscheint es eher unwahrscheinlich, dass sich dieses Konzept in naher Zukunft in Rechenzentren auf breiter Front durchsetzt, da es mit seinen Tauchbecken nicht zum bisherigen Rechenzentrumsdesign mit dicht in Racks gestapelten IT-Systemen passt.

Abwärme nutzen statt verschwenden

Bislang nutzen Rechenzentrumsbetreiber die Abwärme ihrer Anlagen – wenn überhaupt – vornehmlich selbst, etwa zum Beheizen ihrer Büro- und Lagerflächen sowie, in Ausnahmefällen, zum Vorwärmen der Dieselgeneratoren von Netzersatzanlagen. Damit wird jedoch nur ein kleiner Teil der Abwärme genutzt, während der Großteil an die Umwelt abgegeben wird. Projekte, die Abwärme zur Wärmeversorgung von Wohn- und Gewerbegebieten einsetzen, sind in Deutschland bisher rar. Das liegt vor allem an den veralteten Wärmenetzen, die häufig für Temperaturen von 90 Grad Celsius und mehr ausgelegt sind. Doch es ist zu teuer, die meist bei 30 Grad liegende Abwärme von Rechenzentren mit Wärmepumpen auf dieses hohe Niveau anzuheben – zumal das heiße Wasser nach dem Transport für eine sinnvolle Nutzung durch Beimischung von kaltem Wasser wieder heruntergekühlt werden müsste.

Inzwischen modernisieren viele Kommunen ihre Wärmenetze, damit diese mit niedrigeren Temperaturniveaus zurechtkommen. In moderne Netze für kalte Nahwärme lässt sich die Abwärme von Rechenzentren sogar direkt einspeisen – dezentrale Wärmepumpen heben die Temperatur dann erst vor Ort auf das benötigte Niveau an. Der Vorteil von Flüssigkühlungen liegt darin, dass sich deren 40 bis 60 Grad warme Abwärme ohne Wärmepumpen verwenden lässt. In allen Fällen werden jedoch wegen der enormen Wärmemengen, die ein Rechenzentrum produziert, sehr große Abnehmer in der Nähe der Anlagen benötigt. Konkrete Projekte können deshalb in der Regel nur in Zusammenarbeit mit den Kommunen und lokalen Versorgern entstehen.

Modulare Systeme und grüne Stromversorgung

Neben der Kühlung zählt in Rechenzentren die Stromversorgung zu den größten Energieverbrauchern. Sie umfasst die Netzersatzanlagen, die kontinuierlich vorgewärmt werden müssen, damit sie bei einem Stromausfall schnell einsatzbereit sind, sowie die unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV). Üblicherweise handelt es sich in Rechenzentren um Online-USVs, deren Batterien permanent laden und die aus dem Batteriestrom durchgehend eine Spannung für die IT-Geräte erzeugen. Das ist mit einer Verlustleistung von etwa fünf Prozent verbunden, dafür gleicht die USV Spannungsspitzen- und Spannungsschwankungen aus und stellt eine Stromversorgung ohne Kurzzeitunterbrechungen sicher, auch bei einem Stromausfall. Offline-USVs haben hingegen eine Anlaufzeit von wenigen Millisekunden, die nicht jedes IT-Gerät verkraftet.

Modulare Systeme könnten dabei helfen, Kühlung und Stromerzeugung effizienter zu gestalten, weil sie sich gezielt zu- und abschalten lassen. Insbesondere wenn neue Nutzer in ein Rechenzentrum einziehen und noch nicht die volle Leistung ihrer Räumlichkeiten nutzen, ließe sich Energie sparen. Bei den Kühlsystemen wird das allerdings nicht leicht umzusetzen sein, weil die geschlossenen Rohrleitungssysteme nur schwer modular zu gestalten sind und die Kühlmittel auch bei geringem Kühlbedarf bewegt werden müssen. Der Fokus der Rechenzentrumsbetreiber liegt daher eher auf effizienteren Kühlsystemen und einer Reduzierung des Kühlbedarfs. Diese lässt sich beispielsweise durch eine Begrünung der Gebäudefassaden erreichen, die isolierend wirkt und zugleich das Stadtklima positiv beeinflusst.

Weil trotz aller Maßnahmen zur Effizienzverbesserung der Strombedarf wächst, setzen viele Betreiber inzwischen auf Strom aus erneuerbaren Energiequellen, um ihren CO2-Fußabdruck – und damit auch den ihrer Nutzer – zu reduzieren. Sie schließen Power Purchase Agreements (PPA) mit entsprechenden Stromanbietern ab und statten die Dächer ihrer Gebäude mit Photovoltaik-Anlagen aus, um zumindest einen kleinen Teil ihres Bedarfs selbst zu decken.

Für das Ziel der Bundesregierung, neue Rechenzentren bis 2027 klimaneutral zu betreiben, wird ein Ausbau der erneuerbaren Energiequellen allein wahrscheinlich nicht ausreichen. Solarenergie steht nicht rund um die Uhr bereit und sowohl Solar- als auch Windenergie unterliegen wetter- und jahreszeitbedingten Schwankungen. Daher werden voraussichtlich weiterhin CO2-Zertifikate notwendig sein, um Emissionen auszugleichen, die sich aus der Verwendung in Deutschland verfügbaren Stromes ergeben.

Günter Eggers, Director Public bei NTT Global Data Centers EMEA


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