In den vergangenen Jahren hat sich die Energieeffizienz zu einem wichtigen Faktor für den Geschäftserfolg und die gesellschaftliche Akzeptanz von Unternehmen entwickelt. Rechenzentren sind dabei einer der größten Energieverbraucher. Ihr Anteil am Stromverbrauch wird weltweit auf etwa 1,5 Prozent beziffert. Da die Bedeutung der IT stetig wächst, versuchen Dienstanbieter und Rechenzentrumsbetreiber, die Energieeffizienz in allen Bereichen zu verbessern. Es kommt allerdings darauf an, an den richtigen Stellen anzusetzen.

 

Ein großer Anteil der Betriebskosten eines Rechenzentrums entfällt auf die Energiekosten. Die IT-Systeme sind allerdings nicht die größten Energieverbraucher im Rechenzentrum. Unterstützende Systeme wie Kühlung oder Beleuchtung verbrauchen die meiste Energie. Zumindest gilt dies in älteren Rechenzentren, bei Neubauten ist das Verhältnis zwischen IT- und Nicht-IT-Verbrauchern erheblich ausgewogener.
 
Unter den Nicht-IT-Systemen in der Gebäude- oder Rechenzentrumsinfrastruktur haben die zur Kühlung eingesetzten Systeme den höchsten Energieverbrauch, gefolgt von USV- und anderen Systemen für die Stromverteilung. Entscheidend sind dabei die Wirkungsgrade der verwendeten Systeme. Ziel für Service-Provider und Rechenzentrumsbetreiber sollte es daher sein, das Verhältnis zwischen dem Energieverbrauch der IT-Systeme und aller übrigen Systeme zu optimieren. Für ein besseres Verständnis und einheitliche Begrifflichkeiten hinsichtlich der Energieeffizienz von Rechenzentren hat sich in der Branche eine Kennzahl für den Vergleich verschiedener Rechenzentren etabliert. Die meist verwendete Kennzahl ist der Power-Usage-Effectiveness-Wert (PUE), der für die Effizienz der Energienutzung steht.
 
Definition für die Energieeffizienz von Rechenzentren
 
Eine Möglichkeit für die Ermittlung der Energieeffizienz eines Rechenzentrums ist es, das Verhältnis zwischen der gesamten Leistungsaufnahme des Rechenzentrums und der effektiv für den Betrieb von IT-Systemen (und verwandten Funktionen) aufgewandten Energie zu ermitteln.
 
Es gilt folgende Formel:
 
PUE = (Gesamtleistungsaufnahme) /     (IT-Leistungsaufnahme)
 
Ideal wäre ein PUE-Wert von 1,0. Dies würde bedeuten, dass nur die IT-Geräte Strom verbrauchen. Die Gesetze der Physik lassen so etwas in der Praxis jedoch nicht zu. Vor 20 Jahren entsprach die Energieeffizienz der Rechenzentren einem PUE-Wert von 2,7 oder mehr. Das bedeutet, dass im Rechenzentrum durch Kühlung, Beleuchtung oder reine Verlustleistung bei Umwandlung und Transport beinahe doppelt so viel Energie verbraucht wurde wie durch Datenverarbeitung, dem eigentlichen Zweck des Rechenzentrums. Bei in den letzten fünf Jahren errichteten Rechenzentren konnte der PUE-Wert zwar bereits erheblich auf etwa 1,8 reduziert werden – heute ist die allgemeine Zielsetzung jedoch, Werte von 1,3 oder 1,2 zu erreichen.
 
Die bisher erreichten Energieeffizienzverbesserungen basieren überwiegend auf der Anordnung der Rack-Reihen in so genannten Warmgang- oder Kaltgangkonfigurationen und der Erkenntnis, wie wichtig es ist, Warmluftrückflüsse in den Kaltgang zu vermeiden und alle Komponenten von Infrastruktursystemen (hauptsächlich USV-Systemen und Kühlanlagen) bedarfsgerecht auszulegen.
 
Grundsätzlich gilt, dass ein PUE-Wert nur dann aussagekräftig ist, wenn die Techniker ihn über den gesamten Jahresverlauf messen, damit alle Lastschwankungen und jahreszeitlichen Unterschiede erfasst sind. Ein Beispiel: Bei einem Rechenzentrum mit einem PUE-Wert von 1,8 und einer Leistungsaufnahme der IT-Systeme von 50 Kilowattwürden die jährlichen Energiekosten rund 90.500 Euro betragen. Demgegenüber würde das gleiche Rechenzentrums bei einem PUE-Wert von 1,3 nur Energiekosten von 65.500 Euro verursachen.
 
Kühlung
 
Die gesamte von den IT-Systemen aufgenommene elektrische Energie wird in Abwärme umgewandelt, die unter zusätzlichem Energieeinsatz wieder aus dem Rechenzentrum weichen muss. Um geeignete Betriebsbedingungen für die wertvollen Server- und Speichersysteme zu gewährleisten, müssen die Umgebungsbedingungen innerhalb bestimmter Grenzen liegen, für die der Fachverband ASHRAE in seinen Standards inzwischen allgemein anerkannte Richtwerte empfohlen hat.
 
Bei häufig verwendeten Kaltwasserkühlsystemen sind direkt im IT-Raum nur Umluftkühlgeräte installiert. Diese werden über Rohrleitungen mit gekühltem Wasser versorgt, während sich alle übrigen Komponenten des Kühlsystems außerhalb der IT-Umgebung befinden. Bei einem Direktverdampfersystem befindet sich innerhalb der Lüftungseinheit im IT-Raum auch ein Kompressor, der über eine Kältemittelleitung mit dem Kondensator (Verflüssiger) in der Außenumgebung verbunden ist.
 
Die Kühlinfrastruktur gliedert sich in zwei Hauptbereiche: Kaltwassererzeugung und Wärmeabfuhr einerseits sowie Luftverteilung und Wärmeabfuhr innerhalb des Rechenzentrums andererseits. Ganz allgemein arbeitet jedes Kühlsystem in drei Stufen: die Aufnahme der Wärmelast innerhalb des Rechenzentrums, der Wärmetransport aus dem Gebäude hinaus und die Abgabe der Wärme an die Umgebung.
 
Die von den IT-Systemen erzeugte Warmluft wird gesammelt und entweder aus dem Raum abgeführt und direkt durch kühlere Außenluft ersetzt (direkte freie Kühlung) oder zu einem Wärmetauschersystem innerhalb des Rechenzentrums geleitet, um sie den IT-Systemen nach der Abkühlung wieder zuzuführen. Bei der Verwendung von Wärmetauschern geht die Wärmeenergie auf ein Kühlmedium über und mit diesem aus dem Rechenzentrum hinaus. Außerhalb des Rechenzentrums gibt ein weiterer Wärmetauschers die Wärme an die Außenumgebung ab. Die Auswahl des geeigneten Verfahrens hängt in starkem Maß von den Umgebungsbedingungen und jahreszeitlichen klimatischen Veränderungen ab. Verbraucher sind in diesem System die Lüfter, die innerhalb und außerhalb des Rechenzentrums zum Transport der Luft über die Wärmetauscher dienen, die Kompressoren zur Erzeugung von Kälteleistung durch mechanische Arbeit und die Pumpen zum Transport des Kühlmediums zwischen Innen- und Außenseite des Rechenzentrums. Die Effizienz der Lüfter und Pumpen hängt zunächst von den zu transportierenden Luft- oder Wassermengen ab, weil sie dabei Strom verbrauchen. Darum ist dort das Ziel, so wenig Luft oder Wasser wie möglich zu transportieren. Dafür muss die Temperaturdifferenz des für den Wärmetransport genutzten Kühlmediums so hoch wie möglich sein.
 
Folgende Formel veranschaulicht den Zusammenhang:
 
Q/c = ?T × m
 
In Worten: Die Energiemenge (Q/c), die ein Stoff transportieren, mitführen oder austauschen kann, ist gleich dem Produkt der Temperaturdifferenz und der bewegten Stoffmenge pro Zeiteinheit. Wenn Einheiten für die spezifische Wärmekapazität der Medien in die Formel eingehen (zum Beispiel Luft), lautet die sie:
 
kW/1,21 = °C × m3/s
 
Für eine gegebene Energiemenge (kW) würde eine Erhöhung der Temperaturdifferenz (°C) zu einer Reduzierung der zu bewegenden Stoffmenge führen und umgekehrt.
 
Für eine gegebene IT-Infrastruktur kann man den Energieverbrauch als „konstanten“ Wert betrachten, der sich nicht beeinflussen lässt. Der Strom, den die IT-Systeme verbrauchen und in Abwärme verwandeln, entspricht der linken Seite der Gleichung. Damit die rechte Seite der Gleichung den gleichen Betrag wie die linke Seite erhält, muss die Temperaturdifferenz größer sein, damit die Bewegung der Luftmenge kleiner werden kann und umgekehrt. Um Luft über die Kühlschlangen des Wärmetauschers zu befördern, benötigen die Lüfter Strom. Darum sollte diese Zahl so klein wie möglich sein. Die maximal anzunehmende Temperaturdifferenz ist die Differenz, die die IT-Systeme „erzeugt“ haben. Diese Temperaturdifferenz ist gewissermaßen „schon bezahlt” – darum sollte diese Temperatur so hoch wie möglich bleiben, damit der Aufwand für den Transport der Luft so klein wie möglich bleiben kann. Standard-Server erhöhen die Temperatur um etwa 11 °C, Blade-Server um etwa 16 °C. (Für ein besseres Verständnis sind die Temperaturunterschiede in °C statt in K ausgedrückt.)
 
Kühlung mit Präzisionsklimaanlagen
 
Da Präzisionsklimaanlagen (Bild 1) 23% der gesamten von einem Rechenzentrum aufgenommenen Energie verbrauchen, spricht dies für ein größeres Einsparpotenzial. Der Typ des verwendeten Kompressors hat den größten Einfluss auf die Effizienz der Kälteerzeugung, gefolgt von der Art und dem Betriebsmodus der verwendeten Wasserpumpen.
 
Einer der wichtigsten Begriffe für die Spezifizierung von Kälteanlagen ist die Leistungszahl. Die Leistungszahl – im Englischen als Coefficient of Performance (COP) bezeichnet – ist eine dimensionslose Größe, die besagt, wie groß die vom System bereitgestellte Kälteleistung bei einem bestimmten Energieeinsatz ist. Eine Leistungszahl von 10 bedeutet, dass die Maschine bei 1 Watt Leistungsaufnahme 10 Watt Kälteleistung erzeugt. Typische Werte verschiedener Kompressortypen sind in Tabelle 1 dargestellt. Um zu entscheiden, welches System zur Kälteerzeugung für eine gegebene Anwendung am besten geeignet ist, sind jedoch noch andere Faktoren wie Lastschwankungen und Wachstumserwartungen zu berücksichtigen, was jedoch nicht Thema dieses Beitrags ist.
 
Indirekte freie Kühlung
 
Die beste Möglichkeit der Energieeinsparung besteht entweder darin, die Betriebszeit von Kompressoren möglichst zu minimieren oder alternative Verfahren zu nutzen. Eine Methode ist die so genannte indirekte freie Kühlung. Dabei wird das Temperaturgefälle zwischen dem Kühlmittel (hier: Wasser) und der Außenluft ausgenutzt, um das Wasser auf die gewünschte Zufuhrtemperatur abzukühlen. Je nach klimatischen Verhältnissen eines Standorts variiert die Zeitspanne, in der eine freie Kühlung möglich ist. 
 
Eine weitere Variable ist die Kühlmittel-Vorlauftemperatur (Wasser): Je höher die Temperatur, desto größer sind die Perioden, in denen die freie Kühlung zum Einsatz kommen kann. Tabelle 2 zeigt einen normierten Vergleich der Kühlkosten für verschiedene Regionen Europas.
 
Kaltwasserpumpen
 
Der zweite Bereich, in dem eine Optimierung der Energieeffizienz möglich ist, ist die Auswahl der Pumpen und die Entscheidung zwischen dem Betrieb mit Zwei- oder Drei-Wege-Ventil. Beim Betrieb des Kaltwassersystems im Drei-Wege-Modus arbeiten die Pumpen die ganze Zeit mit einer festgelegten Förderleistung, unabhängig davon, welche Mengen Kaltwasser für eine ausreichende Kühlung tatsächlich zu befördern sind. Im Zwei-Wege-Modus dagegen können drehzahlgeregelte Pumpen arbeiten, die nur die in einem bestimmten Zeitraum benötigte Menge Kühlwasser fördern. Dadurch lässt sich der Energieverbrauch wirksam reduzieren, da dieser im exponentiellen Maßstab zurückgeht. Ein Beispiel: Eine Pumpe mit einer Förderleistung von 100 m³/h verbraucht ungefähr 11 kW Strom. Wenn die Leistung um die Hälfte reduziert wird, sinkt der Stromverbrauch auf 2,5 Kilowatt.
 
Lüfter von Präzisionsklimaanlagen
 
Die internen Lüfter von Präzisionsklimaanlagen haben die Aufgabe, warme Luft aus der IT-Umgebung über Wärmetauscherschlangen im Inneren der Anlage zu transportieren und für die IT-Systeme jederzeit ausreichende Kühlluftmengen bereitzustellen. Der Energieverbrauch bei der Kühlung im Rechenzentrum hängt von den Luftmengen ab, die für die Kühlung der IT-Systeme bewegt werden müssen. Standard-Server sind so ausgelegt, dass sie pro Kilowatt rund 272 m³/h Luft ansaugen und abgeben und dabei ein Temperaturgefälle von 11 °C zwischen Lufteinlass und -auslass des Geräts erzeugen. Die Temperaturdifferenz hängt dabei nicht von der Last oder der Leistungsaufnahme ab, weil interne Regelungsmechanismen die Lüfterdrehzahl der Server anpassen.
 
Dies bedeutet wiederum, dass die Lüfter der Klimaanlage im IT-Raum insgesamt mindestens das gleiche Luftvolumen fördern müssen wie alle Lüfter der IT-Server zusammen, wenn ?T ungefähr gleich bleibt. Sollte sich die warme Abluft der Geräte jedoch mit gekühlter Luft vermischen, verringert sich das Temperaturgefälle. Um bei einem kleineren Temperaturgefälle die gleiche Wärmelast abführen zu können, wäre im gleichen Zeitraum ein größeres Luftvolumen zu bewegen. Für eine Steigerung des Luftvolumenstroms müsste die Lüfterdrehzahl steigen. Bei einer höheren Lüfterdrehzahl steigt allerdings der Stromverbrauch. Dabei ist zu beachten, dass der Stromverbrauch der Lüfter im Verhältnis zum zusätzlich beförderten Luftvolumen stärker als linear ansteigt.
 
Unterbrechungsfreie Stromversorgung
 
Unabhängig vom Typ des verwendeten USV-Systems ist das wichtigste Kriterium in Hinsicht auf die Energieeffizienz der Verlust zwischen Ein- und Ausgang des USV-Systems. Bei älteren USV-Systemen liegt der Wirkungsgrad noch zwischen 80 und 92 Prozent. Bei moderneren Systemen gilt ein Wirkungsgrad von mindestens 95 Prozent als Stand der Technik. Diese Effizienz muss über eine breite Spanne von Betriebsbedingungen gelten, der höchste Wirkungsgrad sollte grundsätzlich bei 40 Prozent der Nennlast anfallen.
 
Die Stromversorgung von Rechenzentren ist gewöhnlich mit einer 2N-Redundanz ausgelegt. Dadurch steht auch bei größeren Störungen oder Ausfällen immer ein Stromversorgungspfad mit annähernd Nennlast zur Verfügung. Die meiste Zeit beträgt die maximale Last eines Stromversorgungspfades zwischen 30 und 45 Prozent – und wird niemals größer als 50 Prozent. Die Auslegung moderner USV-Systeme ist auf diese vorherrschenden Betriebsbedingungen ausgerichtet, sodass bei rund 40 Prozent der Nennlast der höchste Wirkungsgrad erreicht ist.
 
Zukunftsausblick
 
Bei der USV-Technik scheint bei einem Wirkungsgrad von 96 oder 97 Prozent eine physikalische Grenze des technisch Möglichen und wirtschaftlich Vertretbaren erreicht zu sein. Daher sollten sich die kurz- und mittelfristigen Energieeffizienzbemühungen auf den Bereich der Kühlung konzentrieren. Besonders Erfolg versprechend ist dabei die Verbesserung von Verfahren und Techniken, die die Einbindung der freien Kühlung und eine Erhöhung der zulässigen Betriebstemperaturen für die IT-Systeme ermöglichen. Falls am Standort durchführbar, sollten auch Optionen zur Kühlung wie Erdreichwärmetauscher oder Kühlwasser aus Flüssen und Seen zum Einsatz kommen, um Energie zu sparen.

Bild 3. Der Wirkungsgrad von USV-Systemen als Funktion der Last. Quelle: Lawrence Berkeley National Laboratory

Bild 2. Der Energieverbrauch von Lüftern im Verhältnis zur Lüfterdrehzahl. Die Lüftergesetze basieren auf idealen Werten. Die Kurven zeigen Messungen mit realen Lüftern, bei denen immerhin noch ein nicht-lineares Verhältnis (eine Exponentialfunktion) erkennbar ist.

Bild 1. Verteilung des Energieverbrauchs in Rechenzentren auf die Verbraucher. Quelle: ASHRAE DC Design & Operation Book 6

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