Abwärmenutzung für Rechenzentren
Metamorphose zu Kraftwerken
In Deutschland gibt es aktuell rund 50.000 Rechenzentren, die etwa zwölf Terawattstunden (TWh) Strom pro Jahr verbrauchen. Dies sind zwei Prozent des jährlichen Stromverbrauchs in Deutschland. Ein Rückgang dieses Verbrauchs ist nicht in Sicht. Im Gegenteil: Der Energiebedarf wird weiterhin stark steigen, denn die Digitalisierung von Gesellschaft und Wirtschaft sowie Techniktrends wie IoT, Analytics oder Künstliche Intelligenz führen dazu, dass immer mehr Rechenleistung nötig ist.
Laut einer Prognose von Dr. Ralph Hintemann, Senior Researcher am Borderstep-Institut für Innovation und Nachhaltigkeit, werden die deutschen Rechenzentren 2020 sogar über 14 TWh verbrauchen. Zum Vergleich: So hoch ist der Stromverbrauch von Luxemburg und Estland derzeit zusammen. Huawei geht in einer Untersuchung sogar davon aus, dass 2030 die bestehende Informations- und Kommunikationstechnik-Infrastruktur (ITK) zwischen 21 und 50 Prozent des produzierten Weltstroms für sich beanspruchen werde.
Damit erhalten Rechenzentren eine Schlüsselfunktion in der Energiewende. Denn diese verlangt genau das Gegenteil: Rechenzentren müssen ihren Energieverbrauch erheblich drosseln, Ressourcen sparen und die klimaschädlichen CO2-Emissionen reduzieren, um den Klimawandel einzudämmen oder zu stoppen. In Zukunft muss die Umsetzung des Prinzips "Green IT" - also die umwelt- und ressourcenschonende Nutzung von ITK über deren gesamten Lebenszyklus hinweg - für die Betreiber von Rechenzentren ernsthaft zur Priorität werden. Dazu sind neue Konzepte für den Bau und Betrieb von Rechenzentren erforderlich.
Erste Ansatzpunkte für die Umsetzung von Green IT bietet die Kühlung von Rechenzentren. Dort liegen trotz aller Fortschritte immer noch große Einsparpotenziale. Allerdings gibt es auf die Frage nach der idealen Kühllösung keine Universalantwort. Die Konstellationen sind von Rechenzentrum zu Rechenzentrum unterschiedlich. Für ein individuell passendes Kühlkonzept sind primär folgende Punkte zu beachten:
- Die lokalen Gegebenheiten und Klimaparameter,
- Leistungsdichte und Temperatur im Rechenzentrum,
- die Verfügbarkeits- und Sicherheitsanforderungen und
- die zukünftigen Entwicklungen des Rechenzentrums.
Unterschiedliche Gegebenheiten erfordern individuelle Kühllösungen. Ein Beispiel dafür ist das 2014 von Facebook errichtete Rechenzentrum in Luleå in Schweden. Dank des nordischen Klimas ist es eines der energieeffizientesten und nachhaltigsten Rechenzentren weltweit. Beigetragen hat dazu einerseits die Nutzung von regenerativem Strom aus Wasserkraft, der an dem naheliegenden Fluss gewonnen wird. Andererseits ist in diesem Rechenzentrum ein innovatives Kühlkonzept umgesetzt, das auf reiner Frischluft basiert und durch das kühle Klima der Region möglich wird.
Die Kühlung mit Frischluft birgt allerdings ein gewisses Sicherheitsrisiko. Denn um die Luft zu den Servern zu befördern, sind große Öffnungen in der Gebäudehülle nötig. Zudem spielt die Qualität der Luft eine große Rolle, da kritische Gase oder Rauch keinesfalls zu den Servern gelangen dürfen. Im Fall eines Brands müsste die Kühlung beispielsweise komplett abschalten. Diese Argumente schließen für viele Unternehmen eine Kühlung mit Frischluft aus.
Stromfresser Kühlung
Für Facebook wogen die Argumente der hohen Energieeffizienz und die Klimavorteile des Standorts schwerer, auch weil das Unternehmen auf eine redundante Rechenzentrumsstrategie mit vielen Standorten setzt und daher nicht auf die extreme Hochverfügbarkeit eines einzelnen Rechenzentrums angewiesen ist.
Ein weiteres Beispiel dafür, warum Kühllösungen unterschiedlichen Anforderungen genügen müssen, ist der Trend zur Dezentralisierung von Rechenzentren, das Stichwort lautet Edge Computing. Rechenzentren sind dabei in der Regel klein, also müssen auch ihre Kühllösungen kompakter ausfallen. Die Integration der Kühlung direkt in das Rack bietet sich in diesem Fall an. Dabei handelt es sich in den meisten Fällen um eine Kühlung mit Kaltwasser oder Kältemitteln.
Die Beispiele zeigen, dass die Anforderungen an die Kühlung in Rechenzentren sehr unterschiedlich sein können. Daher ist die individuelle Betrachtung des richtigen Kühlkonzepts unabdinglich. Doch damit Rechenzentren tatsächlich positiv in der Energiewende wirken, ist es wichtig, nicht nur die kostengünstigste und sicherste Kühllösung zu finden, bei der die Energieeffizienz nur eine Nebenrolle spielt. Die Energieeffizienz muss ein Hauptfaktor in der Entscheidung für das Kühlkonzept werden. Hilfreich ist dabei der Power-Usage-Effectiveness-Wert (PUE).
PUE allein reicht nicht aus
Der PUE-Wert legt die Energieeffizienz eines Rechenzentrums offen. Aus diesem Grund ist vielen Rechenzentrumsbetreibern ein niedriger PUE-Wert wichtig. Dies führt dazu, dass sie immer wieder Maßnahmen umsetzen, die den PUE senken. Doch ab einem gewissen Zeitpunkt stellt sich die Frage, wie viel die weitere Verbesserung des PUEs tatsächlich bringt. Die Problemstellung verdeutlicht das folgende Beispiel.
In diesem Szenario geht es um ein 1-Megawatt-Rechenzentrum mit einem PUE von 1,5. Dabei verbrauchen Kühlung und IT ein Drittel des Stroms. Um die Energieeffizienz des Rechenzentrums zu erhöhen, will der Betreiber den PUE senken. Dazu verbessert er im ersten Schritt die Infrastruktur, was einen niedrigeren PUE von 1,2 zur Folge hat. Das Tortendiagramm in Bild 1 zeigt, dass vor allem die Kühlung jetzt sehr viel weniger Energie benötigt. Der Verbrauch für die Kühlung sank von 300 kW auf 85 kW. In einem zweiten Schritt soll die Energieeffizienz jedoch noch weiter steigen, weshalb der Betreiber wiederum die Infrastruktur verbessert: Der PUE sinkt auf 1,15, der Stromverbrauch der Kühlung zum zweiten Mal. Allerdings ist diese Verbesserung kaum vergleichbar mit dem ersten Schritt. Offensichtlich gilt: Um so besser die Infrastruktur in puncto Energieverbrauch bereits ist, desto geringer wirkt sich eine weitere Verbesserung auf den Stromverbrauch von Kühlung und Infrastruktur aus.
Der Verbrauch der IT-Geräte - und damit der größte Teil - bleibt im Szenario unverändert. Die Lösung für umweltfreundliche Rechenzentren liegt jedoch nicht allein in der Optimierung der Infrastruktur. Zwar geht die Entwicklung bei der IT im Rechenzentrum zu immer effizienteren Geräten, doch die Digitalisierung verlangt eine immer schnellere und effizientere Datenverarbeitung. Daher wird der Stromverbrauch der IT im Rechenzentrum insgesamt nicht kleiner, sondern immer größer. Neben dem PUE müssen die Betreiber also weitere Stellschrauben finden, an denen sie für die Senkung des Energieverbrauchs drehen können.
Heizlüfter für die Umwelt
Um wirklich eine Lösung für das "Umweltproblem Rechenzentrum" zu finden, muss man sich vor Augen führen, was mit dem Strom oder "der Energie" im Rechenzentrum geschieht. Der Strom fließt ins RZ hinein - aus konventionellen oder regenerativen Quellen. Natürlich ist die Verwendung von grünem Strom ein entscheidendes Kriterium hinsichtlich des ökologischen Footprints. Allerdings bleibt das Endergebnis das Gleiche: Alles, was ein Rechenzentrum an Strom aufnimmt, gibt es als Abwärme in die Umwelt ab, wie Bild 2 verdeutlicht. Die Lösung für ein umweltfreundliches Rechenzentrum liegt also in der Nutzung der Abwärme, die dann nicht mehr einfach in der Umwelt verpufft und diese unnötig aufheizt.
Ein Gedankenspiel: Nutzung der Abwärme
Ein naheliegendes Szenario zur Nutzung der Abwärme ist das Heizen von Gebäuden, zum Beispiel Wohnungen. Für das oben angewendete Beispiel eines 1-Megawatt-Rechenzentrums ergibt sich dabei folgende Rechnung: Aktuell kostet eine Kilowatt Stunde Strom in Deutschland 0,15 Euro. Damit hat das Rechenzentrum mit dem Ausgangs-PUE von 1,5 Stromkosten in Höhe von 1,68 Millionen Euro pro Jahr. Diese sinken durch die Verbesserung der Infrastruktur zunächst auf jährlich 1,34 Millionen Euro und dann auf 1,28 Millionen Euro. Man sieht, dass die erzielten Verbesserungen auch immer kleinere positive Auswirkungen in monetärer Hinsicht haben.
Wie viele Wohnungen könnte man nun mit der durch den verbrauchten Strom entstehenden Abwärme heizen? Zehn Kilowattstunden Strom entsprechen einem Liter Heizöl. Eine deutsche Wohnung benötigt laut Statistiken im Durchschnitt 1.250 Liter Heizöl pro Jahr. Die Abwärme des 1-MW-Rechenzentrums könnte also 900 Wohnungen heizen.
Ein weiterer Pluspunkt für den Rechenzentrumsbetreiber: Die Verbraucher würden das Geld, das sie bisher in Heizöl investieren, an das Rechenzentrum zahlen. Somit könnte das Rechenzentrum bei einem Heizölpreis von 50 Cent/Liter rund ein Drittel seiner Stromkosten, also insgesamt 560.000 Euro, wieder "zurückverdienen". Dieses System wäre also nicht nur energetisch, sondern auch wirtschaftlich gesehen äußerst attraktiv. Mit dem aktuellen weltweiten Energiebedarf von Rechenzentren - derzeit 500 TWh pro Jahr - ließe sich beispielsweise ziemlich genau der komplette Heizwärmebedarf von Privatwohnungen in Deutschland decken.
Allerdings setzt die praktische Nutzung dieser Zahlenspiele voraus, dass ein Verteilnetz besteht, mit dem die Wärme in die Wohnungen gelangen. Genau diesen Weg geht Stockholm. Aufgrund des vorteilhaften Klimas in Schweden siedeln viele Unternehmen ihre Rechenzentren dort an. Gleichzeitig setzt das Land bei seiner Energieversorgung auf Fernwärmesysteme. Die neuen Rechenzentren werden so gebaut, dass sie in das Fernwärmenetz einspeisen und damit indirekt der Wärmeversorgung der Haushalte dienen. Ein aktuelles Vorzeigeprojekt ist das neue Rechenzentrum Elementica. Voll ausgebaut wird es pro Jahr 112 Gigawattstunden Wärme zurückgewinnen. Diese Abwärme könnte den Wärmebedarf einer Stadt mit 20.000 Einwohnern decken, was die Größenordnung von Starnberg ist.
Ein anderes visionäres Beispiel für die Nutzung von Abwärme ist das deutsche Start-up Cloud and Heat. Die Idee dahinter ist das Heizen mit dezentralen Rechenzentren. Die Newcomer verteilen Server-Schränke dezentral in Kellern von Dresdner Wohnhäusern. Zusammengeschaltet ergeben diese eine Public Cloud, deren Rechenleistung man - wie die jedes anderen Rechenzentrums auch - kaufen kann. Der große Unterschied besteht darin, dass die Abwärme nicht verpufft. Sie sorgt vielmehr für warme Zimmer und heiße Duschen der Bewohner.
Umweltgerechte Konstruktion
Tatsache ist: Die Digitalisierung ist in vollem Gange und unsere Gesellschaft in Zukunft noch mehr auf Rechenzentren angewiesen als je zuvor. Denn nur so lassen sich die entstehenden Datenmengen verarbeiten. Wichtig dabei zu beachten ist allerdings, dass diese Rechenzentren umweltgerecht konstruiert und betrieben werden.
Green IT bleibt aktuell
Dabei spielen Green IT und die Verwendung von regenerativen Stromquellen eine tragende Rolle. Viel wichtiger ist jedoch, dass sich jeder Rechenzentrumsbetreiber darüber bewusst ist, was mit dem Strom passiert, den RZs verbrauchen. Das Thema Abwärmenutzung spielt dabei eine elementare Rolle. Einige wenige innovative Ansätze dafür gibt es bereits. Allerdings muss es davon mehr geben, um eine Breitenwirkung zu erzielen. Unter anderem spielt die Standortwahl schon bei der Planung eine entscheidende Rolle.
Es steckt also noch viel Potenzial in den Heizlüftern unserer Gesellschaft - wir müssen es nur nutzen.
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