Kühlung und Standortwahl von Edge-Rechenzentren sowie höhere Leistungsdichten in IT-Racks sind aktuelle Themen, mit denen sich immer mehr IT-Verantwortliche beschäftigen müssen. Mit dem richtigen Know-how können Unternehmen ihre IT-Infrastrukturen zukunftssicher und effizient realisieren.

Die schnelle technische Entwicklung führt dazu, dass Unternehmen kontinuierlich ihre IT-Landschaft weiterentwickeln müssen. Während einige IT-Manager noch die Cloud in ihr Rechenzentrum integrieren, erfolgt an anderer Stelle bereits ein erweiterter, dezentraler Ausbau mit Edge-Datacentern. Das Edge-Konzept soll die Anforderung nach einer Datenverarbeitung in Echtzeit an beliebigen Standorten erfüllen, wenn beispielsweise in modernen Fabriken eine Steuerung der Roboter und Fertigungsanlagen in Realtime erfolgen soll. Damit verbunden stehen RZ-Betreiber jedoch vor neuen Herausforderungen.

Edge-Datacenter und die Energieeffizienz

Beim Betrieb von Edge-Infrastrukturen mit einer hohen Anzahl von Knoten ist es notwendig, den Systemzustand permanent zu überwachen. Dies gilt vor allem für die Kühlsysteme. Edge-Lösungen werden häufig im unteren Leistungsbereich mit einer Kühlleistung von weniger als etwa 30 kW installiert. Dabei kommt typischerweise eine kältemittelbasierende Kühltechnik zum Einsatz, die einen Kompressor zur Kälteerzeugung benötigt. Rollt ein Unternehmen mehrere Hundert Edge-Rechenzentren aus, wird jedes dieser IT-Systeme über ein separates Kühlaggregat verfügen. Für Unternehmen ist es daher wichtig, den Energieverbrauch der gesamten Edge-Infrastruktur im Blick zu behalten. Die Kontrolle eines Netzes aus Hunderten von IT-Systemen kann jedoch nur noch vollständig automatisiert erfolgen, beispielsweise mit intelligenten Lösungen für Condition Monitoring. Außerdem gilt es auch, die Betriebsdaten aus wirtschaftlicher Sicht zu analysieren, um Potenziale für eine Kostensenkung zu finden.

Hybride IT-Kühlung spart Energiekosten

Eine Lösung zur Kostenoptimierung ist der Einsatz von Hybrid-Kühlgeräten der neuesten Generation mit passiver Kühlung. Auf dem Markt sind beispielsweise Geräte mit 3 kW Kühlleistung im Angebot, die über zwei Kältekreise verfügen. Diese Kühlgeräte arbeiten wahlweise mit einer passiven Kühlung und verwenden hierzu eine Heatpipe (Wärmerohr) oder eine kältemittelbasierende Kühlung inklusive eines Kompressors. Erfahrungswerte aus der Installation solcher Kühlsysteme in der Fertigungsindustrie zeigen, dass sich die Energiekosten für die IT-Kühlung um bis zu 75 Prozent verringern lassen.

Effiziente Kühlung nach Bedarf: Eine Lösung zur Kostenoptimierung ist der Einsatz von Hybrid-Kühlgeräten der neuesten Generation mit passiver Kühlung. Das Modell LCP DX/FC Hybrid verfügt sowohl über einen Kältemittelkreislauf als auch über einen separaten Wasserkreislauf. Bild: Rittal

Wer mehr Kühlleistung benötigt, greift auf Hybrid-Systeme bis etwa 35 kW zurück, die mit einem wasser- und einem kältemittelbasierendem Kreislauf arbeiten. Bei niedrigeren Temperaturen wird automatisch die indirekte freie Kühlung genutzt. Die Basis dafür ist ein externer Hybridverflüssiger mit integriertem Freikühler. Durch den Einsatz indirekter freier Kühlung verringern sich die laufenden Betriebskosten. Bei höheren Außentemperaturen springt ein Kompressor an, der das Kältemittel (Wasser) kühlt.

Vorhandene Gebäudekühlung nutzen

Der Effizienzgrad von hybriden Kühllösungen hängt vom Einsatzzweck und den Standorten der Edge-Systeme ab. Plant beispielsweise ein Pharma- oder Lebensmittelhändler den Ausbau seiner IT-Infrastruktur, wäre zu prüfen, ob sich als Standort für IT-Racks bereits gekühlte Lagerflächen eignen, um somit die Energiekosten für die IT-Kühlung zu senken. Generell sollten Unternehmen mit dem Lieferanten der Kühlgeräte eine Standort- und Kostenanalyse vornehmen, um einen präzisen Return-on-Investment zu ermitteln.

Mehr Rechenzentren, mehr Flächen, mehr Energie

Eine weitere Herausforderung ist vor dem Hintergrund entstanden, dass das Internet zu einem wichtigen Wirtschaftsfaktor geworden ist. Basierend auf Internet-Technik entwickeln Unternehmen kontinuierlich digitale Geschäftsmodelle und benötigen dafür neue IT-Systeme. Die Rechenleistung kommt immer häufiger aus großen Cloud- oder Colocation-Rechenzentren – allerdings wird es in deutschen Ballungsgebieten immer schwerer, einen geeigneten Standort für ein Datacenter zu finden.

Anfang 2019 gab es beispielsweise in der Rhein-Main-Region geschätzt etwa 600.000 Quadratmeter an Rechenzentren-Fläche. Dies entspricht 84 Fußballfeldern vollgepackt mit IT-Racks. Allein in Frankfurt am Main, der Stadt mit dem größten Internet-Knoten der Welt, befinden sich ein Viertel aller Datacenter-Flächen in Deutschland, und neue kommen ständig hinzu. Im Juni 2019 haben zwei Anbieter den Spatenstich für neue Rechenzentren in der Leistungsklasse um 20 MW in Frankfurt gefeiert. Als Standorte wurden jeweils Grundstücke in einem Gewerbegebiet am Stadtrand gewählt. Der Vorteil ist, dass sich dort ein Umspannwerk befindet und mehrere Stromanbieter Energie anbieten.

IT-Stromverbrauch überholt den Flughafen

Tatsächlich ist die Energieversorgung zu einer Herausforderung geworden. In diesem Punkt müssen Rechenzentrumsbetreiber eng mit den Versorgern oder den Stadtwerken zusammenarbeiten, um die jeweils benötigte Anbindung an das Stromnetz zu erhalten. So haben beispielsweise bereits im Jahr 2016 alle Rechenzentren in Frankfurt zusammen mehr Energie verbraucht als der dortige Flughafen. Der schnell wachsende Energiebedarf von Rechenzentren macht es den Stromanbietern schwierig, die Kapazitäten präzise zu planen. Im schlimmsten Fall kann es beim Neubau von Rechenzentren zu ungeplanten Wartezeiten kommen, weil sich die Energieversorgung nicht rechtzeitig zusichern lässt – eine Aussage, die immer häufiger von den großen RZ-Betreibern in Frankfurt zu hören ist.

Stabil und sicher: Unternehmen wie Thyssenkrupp Steel nutzen zum Aufbau von Edge-Infrastrukturen robuste IT-Container. Bild: Rittal

Eine Lösung liegt darin, neue Rechenzentren in der Nähe der Stromerzeugung zu errichten. Denn es ist einfacher, die Daten zu transportieren als den Strom. Bei einem Standort direkt an einem Staukraftwerk oder einem Wind- oder Solarpark würden außerdem die Netzentgelte für den Stromtransport wegfallen. Außerdem schauen heute immer mehr Unternehmen auf das Thema Nachhaltigkeit, weil dies auch für die Kunden zu einem wichtigen Thema geworden ist. Aus Kundenprojekten weiß etwa der Infrastrukturhersteller Rittal zu berichten, dass geschätzt etwa 20 Prozent der Unternehmen darauf achten, ihre Rechenzentren mit regenerativem Strom zu betreiben und dies auch entsprechend ausweisen.

Bei dem Ausbau von Edge-Infrastrukturen ist die Energieversorgung eine lösbare Aufgabe, da der Stromverbrauch einzelner Rechenzentren wesentlich geringer ist als bei einem Hyperscale-Datacenter. In einigen Szenarien wird ein Edge-Datacenter jedoch auch außerhalb eines Firmengeländes betrieben, beispielsweise beim Aufbau von 5G-Mobilfunknetzen, für die Unterstützung von autonomen Fahrzeugen in Smart Cities oder zur Unterstützung von Ladestation für E-Autos. Die Netzbetreiber werden zum Ausbau ihres 5G-Netzes zahlreiche neue Edge-Rechenzentren installieren müssen, ähnlich wie die Deutsche Telekom beim Ausbau des schnellen Internets neue Verteilerkästen in den Städten aufgestellt hat.

Für diese und vergleichbare Szenarien benötigen Unternehmen wetterfeste Outdoor-Gehäuse, die auch einen physischen Schutz bieten. Auch für diese Outdoor-Stationen müssen geeignete Standorte gefunden werden, unter Umständen auch in klimatisierten Räumen von Drittfirmen. Ein präzises Monitoring über den Energieverbrauch und den Betriebsstatus wird daher wichtig sein, um die Infrastruktur kontrollieren zu können.

Leistungsdichte im Rechenzentrum erhöht sich

Damit ergibt sich durch die steigenden Anforderungen der Anwender nach mehr IT-Leistung ein weiterer Punkt, nämlich eine weiter ansteigende Leistungsdichte in den IT-Racks. Big-Data-Analysen, KI-Anwendungen sowie die weiter steigende Nutzung von Video-Content sind nur einige Beispiele dafür, warum in Rechenzentren immer mehr IT-Kapazität nötig ist.

Die Folge ist, dass sich CIOs heute mit Themen beschäftigen müssen, die bislang eher Betreiber von HPC-Rechenzentren (High Performance Computing) beschäftigten. Dazu zählen voll ausgebaute IT-Racks, die eine Kühlleistung von 50 kW oder mehr benötigen. Damit verbunden treten Hotspots im Rechenzentrum auf, die die gezielte Kühlung einzelner Racks notwendig machen.

Effizient unter Tage: Mit dem Lefdal Mine Datacenter in Norwegen bietet Rittal gemeinsam mit Partnern einen besonderen Standort für Rechenzentren. Die Betreiber nutzen dort ausschließlich erneuerbare Energien. Wasser aus dem nahegelegenen Fjord dient zur Kühlung. Die Energiekosten sind entsprechend gering. Das System erreicht einen PUE-Wert (Power Usage Effectiveness) von weniger als 1,15. Bild: Rittal

Dies kann auch dazu führen, dass das bisherige Konzept einer Raumkühlung gar nicht mehr ausreicht und die Umstellung auf Warm-/Kaltgang-Schottung oder eine direkte Rack-Kühlung notwendig ist. Häufig reicht es jedoch aus, die HPC-Racks mit zusätzlichen IT-Kühlgeräten auszustatten, die an der Rück-Tür oder an einer Seitenwand montiert sind. Für HPC-Racks ist jedoch häufig eine Wasserkühlung erforderlich, sodass mit zusätzlichen Montage- und Betriebskosten zu rechnen ist. Zukünftig könnte die Immersionskühlung für RZ-Betreiber interessant werden, die konstant hohe IT-Leistung bieten müssen: Bei der Tauchkühlung werden die IT-Komponenten komplett in eine Kühlflüssigkeit eingetaucht. Bei dieser Variante kann der Betreiber mit einer Rücklauftemperatur von bis zu 65 °C bei Vorlauftemperaturen von 45 bis 50 °C arbeiten. Allerding ist dazu spezielle IT-Hardware nötig.

Bei der Kühlung der Rechenzentren werden künftig weitere Innovation zu erwarten sein, um die Entwicklung einer immer höheren Leistungsdichte auszugleichen. Da Luft bekanntlich ein schlechter Wärmeleiter ist, dürfte in Zukunft die Wasserkühlung wieder verstärkt Einzug in die Rechenzentren halten – damit wäre die Mainframe-Technik wieder im Trend, da auch heute Mainframe-Hersteller ihre Systeme mit Wasser kühlen.

Luis Brücher ist Hauptabteilungsleiter Produkt-Management IT bei Rittal in Herborn, www.rittal.de.