Ganzheitliches Konzept statt Insellösungen
Energieeffiziente RZs in der Praxis
Energieeffizienz ist für die Betreiber von Rechenzentren nach wie vor ein zentrales Thema. Ein Grund dafür sind die steigenden Preise für Energie. Der Einsatz von Virtualisierung und Strom sparenden IT-Systemen reicht jedoch nicht aus, um im RZ die Energieeffizienz zu verbessern. Kommen innovative Kühlkonzepte hinzu, sind PUE-Werte von bis zu 1,3 möglich, wie das neue RZ von BT in Frankfurt am Main in einem detaillierten Fallbeispiel belegt.Energieeffizienz im Rechenzentrum ist alles andere als nur ein Hype-Thema. Dies hat handfeste wirtschaftliche Gründe. Denn nach Daten des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie hat sich der Strompreis für Unternehmen zwischen 2000 und 2010 mehr als verdoppelt - auf 10 Cent/kWh. Auch künftig ist mit einem Preisanstieg zu rechnen. Das Leipziger Institut für Energie geht bis 2015 von einer Erhöhung um 4,4 Prozent pro Jahr aus. Hinzu kommt, dass Klimaschutzvorgaben, etwa die der Europäischen Union, Unternehmen dazu verpflichten, ihren Energiebedarf und den damit verbundenen Ausstoß von CO2 sukzessive zu reduzieren. Als Maßstab für die Energieeffizienz eines Rechenzentrums gilt der PUE-Wert (Power Usage Efficiency). Dies ist der Quotient der gesamten Energie, die im RZ eingesetzt wird, und der Energie, die ausschließlich in den Betrieb der IT-Systeme fließt. Derzeit erreichen Rechenzentren in Deutschland im Schnitt einen PUE-Wert zwischen 1,8 und 2,0. Das heißt, dass zu jedem kW für die IT nochmals 0,8 bis 1 kW für die Klimatisierung, Kühlung, für unterbrechungsfreie Stromversorgungen, die Beleuchtung und Heizung der Büros oder den Betrieb der Sicherheitsanlagen hinzukommen. Mit einem PUE-Wert von 1,3 zählt das neue Rechenzentrum von BT in Frankfurt am Main somit in Deutschland und weltweit zur Spitzenklasse. In dem RZ, das BT offiziell im Mai 2012 in Betrieb nahm, bietet das Unternehmen die gesamte Palette seiner Rechenzentrums-Services an, vom Telehousing über gemanagte Hosting-Dienste bis hin zu Cloud-Computing-Angeboten ("Virtual Data Center"). Um ein möglichst hohes Maß an Energieeffizienz und Umweltverträglichkeit sicherzustellen, setzen BT und der Rechenzentrumsspezialist Imtech, der das RZ im Auftrag von BT erstellte und die Gebäudeinfrastruktur betreibt, auf eine Kombination mehrerer Techniken. Kaltgang-Einhausung für die richtige Kühlung Die Klimatisierung der IT-Systeme in den rund 380 Racks mit 46 Höheneinheiten (220 cm × 80 cm × 120 cm, H × B × T) erfolgt mithilfe eines Kalt-/Warmgangkonzepts mit eingehaustem Kaltgang. Durch einen 80 cm hohen Doppelboden wird gekühlte Luft je nach Außentemperatur zwischen 22 °C und 25 °C in den Kaltgang einspeist und gelangt dort an die Vorderseite der Server, Storage-Systeme und Netzwerkkomponenten. An der Rückseite der Racks tritt die Luft nach dem Kühlvorgang wieder aus und wird erneut in den Kühlkreislauf eingespeist. Die Kaltgangeinhausung verhindert, dass sich warme und kalte Luft vermischen und entlastet somit die Kühlanlagen. Allein die konsequente Trennung von Kalt- und Warmluft kann den PUE-Wert um etwa 0,3 Punkte verbessern. Die Werte der Temperatur und Luftfeuchtigkeit in Racks entsprechen den Vorgaben der American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE). Die aktuelle Version von 2008 sieht im Vergleich zur Ausgabe von 2004 um 2 °C höhere Server-Ansaugtemperaturen für die Luftkühlung vor. Derzeit sind laut ASHRAE bis zu 27 °C zulässig. Dadurch ist eine niedrigere Kühlleistung erforderlich. Die neueste Ausgabe der Thermal Guidelines for Data Processing von 2011 sehen in bestimmten Bereichen eines Rechenzentrums sogar bis zu 40 °C vor. Dies ist derzeit jedoch nur in Ausnahmefällen realisiert, weil die Hersteller von Server-Systemen ihre Geräte für niedrigere Einsatztemperaturen spezifiziert haben. Eine Wasserkühlung der Racks im Rechenzentrum von BT ist in Vorbereitung, jedoch nach Auskunft der Betreiber derzeit nicht nötig. Der Grund ist, dass die Kunden gegenwärtig Racks mit Systemen bestücken, die durchschnittlich 4 bis 7 kW pro Rack benötigen. In diesem Bereich reicht Luftkühlung aus. Die vorhandene Kühlleistung von 2.500 W/m2 lässt sich flexibel zwischen den Racks eines Kaltgangs verschieben, sodass sich auch ohne Entstehung von Hotspots Racks mit bis zu 10 oder 12 kW ohne Flüssigkeitskühlung einrichten lassen. Kühlung mit Außenluft Eine zentrale Rolle bei der Steigerung der Energieeffizienz spielt die Kühlung der IT-Systeme. BT setzt in Frankfurt auf ein Konzept, bei dem neben konventioneller Kühlung die Temperierung mittels Außenluft (freie Kühlung) Verwendung findet. Dieser Ansatz kommt nicht nur für RZs in Betracht, die in kühlen Regionen wie Skandinavien angesiedelt sind. Nach Angaben des Deutschen Wetterdienstes betrug im Jahr 2011 die Durchschnittstemperatur in Frankfurt 7,3 °C. In der Innenstadt gibt es im Schnitt nur rund 50 Tage pro Jahr mit mehr als 25 °C. Dies bedeutet, dass sich Außenluftkühlung auch in Großräumen wie Frankfurt einsetzen lässt. Der Betreiber verwendet im Rechenzentrum in Sossenheim ein Hybridkonzept: Beträgt die Außentemperatur 16 °C oder weniger, erfolgt die Rückkühlung ausschließlich mithilfe der Außenluft. In diesem Fall sind keine Kältemaschinen nötig. Für die Rückkühlung kommt unter anderem Regenwasser zum Einsatz, das sich in Reservoirs auf dem Dach sammelt. Im Temperaturbereich von 16 °C bis 22 °C arbeiten sowohl Kältemaschinen als auch die Außenluftkühlung. Erst bei Temperaturen von mehr als 22 °C kommt ausschließlich die mechanische Kühlung zum Zuge. Um die Effizienz noch weiter zu steigern, steigt zudem die Kaltgangtemperatur in kleinen Schritten bis auf 25 °C. Abwärme heizt Büros Im Rechenzentrum sind insgesamt 16 Umluftklimaschränke mit jeweils 145 kW Kühlleistung pro Stockwerk im Einsatz, außerdem zwei Kältemaschinen (Chiller) von Danfoss Turbocor. Diese benötigen eine Anlaufspannung von weniger als 5 V. Die Kälteleistung lässt sich zudem stufenlos an den Bedarf anpassen. Beide Faktoren wirken sich günstig auf die Energiebilanz aus. Die Umluftkühlsysteme sind über zwei separate Kaltwassernetze mit den Kältemaschinen verbunden, die im Untergeschoss des Gebäudes untergebracht sind. Die Hybridkühler für die Freiluftkühlung stehen auf dem Dach des Rechenzentrums. Insgesamt stehen somit auf jeder Etage jeweils zwei Mal 1.600 kW Kühlleistung durch die Kältemaschinen und weitere vier Mal jeweils 720 kW Rückkühlleistung durch die Hybridsysteme auf dem Gebäudedach zur Verfügung. Einen Teil der Abwärme der Kühlsysteme nutzt das Rechenzentrum dazu, um Büroräume zu heizen. Den größten Teil verdunsten die Kühler. Blade-Server, Shared Storage und Virtualisierung BT setzt Blade-Server-Systeme von HP in Verbindung mit der Virtualisierungslösung Vsphere 5 von VMware sowie Storage-Systeme von Netapp ein. Laut Studien der Beratungsgesellschaft Gartner beträgt die Auslastung von x86-Servern in Rechenzentren, in denen keine Virtualisierung zum Einsatz kommt, nur zwischen sieben und 15 Prozent. Insgesamt, so Gartner, nutzen die meisten RZs etwa 50 Prozent der vorhandenen CPU-Kapazität. Das Problem dabei: Auch im Leerlauf benötigen Server und Storage-Systeme Strom. Um die Effizienz zu erhöhen, teilen sich im RZ von BT daher mehrere Kunden Server- und Storage-Kapazitäten (Shared Storage, Shared Server). Dadurch steigt die Auslastung dieser Komponenten auf etwa 70 bis 80 Prozent. Das heißt: Weniger physische Server und Speichersysteme sind nötig, und die Leerlaufzeiten der vorhandenen Geräte sind minimiert. Jeder Server, der als Virtual Machine arbeitet, spart nach Angaben von VMware durchschnittlich im Jahr etwa 7.000 kWh Strom und etwa vier Tonnen CO2. Ein weiterer Faktor, der dazu beiträgt, den Stromverbrauch der IT-Systeme zu verringern: Die Blade-Server-Systeme sind mit Netzteilen ausgestattet, die bei niedriger Last die Stromzufuhr automatisch herunterregeln. Dienstleister garantiert PUE-Wert von 1,3 Den Betrieb der Gebäudeinfrastruktur des Rechenzentrums in Frankfurt-Sossenheim hat BT an Imtech ausgelagert. Der Dienstleister sichert zu, dass der PUE-Wert von 1,3 jederzeit eingehalten ist, und zwar über einen Zeitraum von 15 Jahren. Der Stromverbrauch für Kühlung und Klimatisierung liegt nach Angaben von Imtech um 45 Prozent unter den Werten konventioneller Rechenzentren, die einen PUE-Wert von 1,8 aufweisen. Dies reduziert den CO2-Ausstoß pro Jahr um 11.500 Tonnen. Besserer PUE-Wert nur im Sonderfall Eine Power Usage Efficiency von 1,3 stellt für ein Rechenzentrum, das unterschiedliche Dienstleistungen wie Telehousing, Managed Hosting und Cloud-Computing-Services anbietet, einen Wert dar, der gegenwärtig kaum zu übertreffen ist. Zwar weisen einige RZs PUE-Werte von 1,2 oder 1,1 auf. In diesen Fällen handelt es sich jedoch um die Einrichtungen, die über eine extrem homogene IT-Ausstattung verfügen und sich auf spezielle Dienste fokussieren. Dazu zählen beispielsweise Suchmaschinen-Services. Diese Rechenzentren lassen sich somit nur schwer mit einem RZ wie dem in diesem Beispiel in Frankfurt vergleichen. Virtualisierung Nach Berechnungen des Green-Grid-Konsortiums entfallen nur 30 Prozent des Strombedarfs in einem Rechenzentrum auf die IT-Systeme. Um den Energieverbrauch niedrig zu halten, verfolgt BT bei der Konzeption des Data Centers in Frankfurt daher einen ganzheitlichen Ansatz, der Faktoren wie Kühlung, Stromversorgung und USVs mit einbezieht. Physische Server-Systeme sind nur zeitweilig ausgelastet, benötigen jedoch auch in Zeiten mit niedriger Last viel Strom. BT setzt daher im Rechenzentrum in Frankfurt auf Virtualisierung und Netzteile, die bei niedriger Auslastung der Server die Stromzufuhr begrenzen. Das RZ auf einen Blick Das Tier-III+-RZ von BT in Frankfurt-Sossenheim hat eine Gesamtfläche von 12.300 m2. Davon stehen etwa 5.000 Quadratmeter als Rack-Space für IT-Systeme zur Verfügung. Das RZ ist über redundante Verbindungen direkt an das hochverfügbare BT-City-Fiber-Netz und die in rund 170 Ländern verfügbare hauseigene MPLS-Infrastruktur (Multi-Protocol Label Switching) angeschlossen. Engpässe bei der Anbindung von Servern seien somit ausgeschlossen, ebenso störende Latenzzeiten beim Sichern und Wiedereinspielen von Daten, so der Betreiber. Das Service-Angebot umfasst standardisierte Managed-Hosting-Dienste. Zudem stehen Telehousing-Services zur Verfügung, die auf die speziellen Anforderungen des Kunden ausgerichtet sind. In diesem Fall bestücken die Anwender Racks mit eigenen Systemen. Hinzu kommen Cloud-Computing-Dienste, etwa Infrastructure-as-a-Service-Angebote. Der Rack-Space verteilt sich auf insgesamt fünf Geschosse. Pro Etage sind 1.000 m2 in jeweils zwei Brandschutzabschnitten vorhanden. Für die Versorgung mit Strom, Kaltluft und Kaltwasser (Kühlung) dient ein 80 cm hoher Doppelboden. Die Tragkraft pro m2 beträgt 1.500 Kilogramm, was eine hohe Packungsdichte von Racks mit voller Bestückung ermöglicht. Die Stromversorgung an das öffentliche Netz erfolgt über zwei redundante, getrennte Leitungswege und Hauseinführungen. Im Gebäude selbst sind zwei unabhängige Stromnetze zur Versorgung der Racks vorhanden. Pro Netz stehen pro Etage fünf USV-Anlagen mit jeweils 400 kVA zur Versorgung der IT-Systeme mit Wechselstrom zur Verfügung. Hinzu kommen USVs mit 60 kVA für die Absicherung von Komponenten, die Gleichstrom benötigen. Bei der Auswahl der USVs legten die Betreiber auf eine hohe Effizienz von 99 Prozent Wert. Auch dies wirke sich positiv auf die Energiebilanz aus.
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