Channel Fokus: Power & Cooling Wege aus der Klimakrise

Von Andreas Bergler

Nachhaltigkeit ist für Rechenzentren jeder Größe das Gebot der Stunde. Um die ehrgeizigen Klimaziele der jüngsten UN-Klimakonferenz zu erreichen, trägt der Stromverbrauch von Rechenzentren einen erheblichen Teil zur Verschärfung der Krise bei. Kann die IT bei der Lösung der Probleme helfen?

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Der Energieverbrauch von Rechenzentren rückt ins Licht der Öffentlichkeit. Bei der Stromversorgung und der Kühlung ist in puncto Nachhaltigkeit noch Luft nach oben.
Der Energieverbrauch von Rechenzentren rückt ins Licht der Öffentlichkeit. Bei der Stromversorgung und der Kühlung ist in puncto Nachhaltigkeit noch Luft nach oben.
(Bild: Holger Schultz - stock.adobe.com)

Es ist kompliziert! Das gilt heute nicht nur für immer mehr menschliche Paarbeziehungen, sondern auch für die Beziehungen von Rechnern untereinander, deren Anbindung ans Stromnetz und das ­Management kleiner und großer Rechenzentren. Denn mittlerweile spielen sogar ­politische Krisen, internationale Wirtschaftsbeziehungen und neueste technische Entwicklungen in die Stromversorgung von Servern und Endgeräten hinein. Beispielsweise wurde Anfang Januar das Internet in Kasachstan von der Regierung lahmgelegt, um die Berichterstattung über die Proteste zu verhindern. Gleichzeitig traf diese Maßnahme die kasachischen Kryptominer, die derzeit weltweit 18 Prozent aller Bitcoins schürfen. In der Folge konnte sich das dortige Stromnetz wieder stabilisieren, hatten doch über­mäßige Schürf-Aktivitäten kurz zuvor zu Abschaltungen von Kraftwerken und zu Stromausfällen geführt.

Umstieg auf sauberen Strom

Angesichts aller Abhängigkeiten und innersystemischen Rückkopplungseffekten spielt die IT, wenn es um die Erreichung von Nachhaltigkeit und die sichere Stromversorgung geht, sowohl als Teil des Problems aber auch als Teil der Lösung eine immer wichtigere Rolle. Dennoch bleiben die IT und die Digitalisierung nur ein Teil des umfassenden Nachhaltigkeitsprogramms der Bundesregierung. Diese hat sich im Zuge des Pariser Klimaabkommens dazu verpflichtet, die Erderwärmung, natürlich im Verbund mit der ­internationalen Gemeinschaft, auf 1,5 Grad zu begrenzen. Laut aktuellem Forschungsstand kann dies nur erreicht werden, wenn Deutschland spätestens 2035 bei der Klimaneutralität angekommen ist. Allerdings ist die Welt davon noch weit entfernt. So kritisiert die Initiative German Zero, dass Deutschland mit der aktuellen Klimapolitik derzeit auf eine Erderhitzung von mehr als zwei Grad zusteuert. Wenn wir so weitermachen wie bisher, werden wir bei etwa 2,9° Celsius landen, so German Zero. Was also tun?

Zunächst die „Bad News“: Offensichtlich ist die Menschheit mit der Digitalisierung auf eine Einbahnstraße aufgefahren. So stellt beispielsweise der Eco Verband fest, dass es nur mit Hilfe der Digitalisierung gelingen kann, Industrieprozesse effizienter und ressourcenschonender zu gestalten, Verkehrsströme zu verringern und die Energiesysteme klimaneutral umzubauen. Rückgrat der Digitalisierung sind die digitalen Infrastrukturen, in deren Zentrum die Betreiber von Rechenzentren stehen. Diese benötigen aber ­immer mehr Strom, erzeugen also selbst CO2-Emissionen. Allein den Treibhausgas-Ausstoß in Deutschland, der durch die Digitalisierung erzeugt wird, schätzt KfW Research gegenwärtig auf mindestens 34 Millionen Tonnen CO2 pro Jahr.

Wie machen es die großen Rechenzentrumsbetreiber?

Jetzt die „Good News“: Der Energiehunger der Rechenzentren in Europa verlangsamt sich. Stieg der Strombedarf der ­Datacenter in den Zehner-Jahren noch um 55 Prozent auf 87 Terawattstunden pro Jahr, so wird für das kommende Jahrzehnt mit einem Anstieg von 13 Prozent, entsprechend 98 Terawattstunden pro Jahr, gerechnet. Aufgrund zunehmenden Einsatzes regenerativer Energien bei der Stromerzeugung sinken die CO2-Emissionen der Rechenzentren in Europa seit fünf Jahren sogar.

Die Hyperscaler gehen hier mit gutem Beispiel voran. So gleicht Google eigenen Angaben zufolge schon seit vier Jahren den Strombedarf vollständig mit erneuerbaren Energien aus, womit man weltweit der größte Abnehmer für erneuer­bare Energie sei. Bis 2030 will Google komplett mit CO2-freier Energie arbeiten, inklusive aller Rechenzentren. Microsoft gibt an, die Rechenzentren für die Azure-Cloud bereits seit rund zehn Jahren CO2-neutral zu betreiben. In drei Jahren will der Hyperscaler aus Redmond nur noch erneuerbare Energien beziehen. Mitbewerber AWS plant, ab 2030 ausschließlich grünen Strom zu nutzen. Aber auch die Betreiber kleinerer Rechenzentren können schon heute die Stromversorgung ihrer Anlagen auf Klimaneutralität umstellen, beispielsweise über sogenannte Power Purchase Agreements (PPAs).

Möglichkeiten für die kleinen Rechenzentrumsbetreiber

Natürlichen Stromschwankungen bei der Einspeisung regenerativer Energien will man bei Google zudem dadurch begegnen, dass unterschiedliche Stromquellen miteinander gekoppelt und intelligent miteinander vernetzt werden. Weil die Verfügbarkeit von Strom auch am Netzwerkrand weiterhin oberste Priorität haben wird, prognostiziert der Anbieter von Strom-, Kühlungs- und IT-Infrastrukturlösungen Vertiv, dass dieses Jahr verstärkt Investitionen in Edge-Lösungen getätigt werden, um das „New Normal“ zu unterstützen. Niedrige Latenzzeiten werden dabei zum kritischen Faktor, wenn effiziente Gebäude, intelligente Städte oder verteilte Energieressourcen und 5G-­Netze gemanagt werden sollen.

Lösungsanbieter und Betreiber von Rechenzentren setzen daher zur Optimierung des Energiebedarfs vermehrt auf Künstliche Intelligenz (KI). „Um dabei möglichst energieeffizient zu arbeiten, reichen Entscheidungen aus dem Bauch heraus nicht“, bemerkt Katja Neumann, Channel Director DACH bei Vertiv. Die Nutzung von Big Data liefere hier wichtige Erkenntnisse und ermögliche automatisierte Prozesse, die manuell gar nicht abgebildet werden könnten. Der Anbieter setzt zudem auf Digital Twins in Fabriken, um in Simulationen die Effizienz verschiedener Szenarien zu testen.

Kommentar: Katja Neumann, Channel Director DACH bei Vertiv
KI spielt eine entscheidende Rolle bei der Schaffung smarter Rechenzentren – nur so lassen sich die Nachhaltigkeitsziele erreichen. Ein intelligentes Energiemanagement ist dabei ein zentrales Thema. Dafür müssen Bereiche wie die Stromversorgung oder die Kühlung von Rechenzentren datenbasiert über Software und Data Analytics gesteuert werden.

Bildquelle: Vertiv

Strom sparen

Eine stärkere Geräte-Integration im Zusammenspiel mit KI wird hinter Nachhaltigkeit und Klimaschutz der bestimmende Trend bei Rechenzentren sein, ist man sich unter den Lösungsanbietern weitgehend einig. Dabei sind auch kleine Data Center und Serverinstallationen bei den Kunden vor Ort mit einbezogen. „Bei den großen Data Centern war der Stromverbrauch schon immer ein wichtiges Thema, weil er sich auch in großen Zahlen widergespiegelt hat“, berichtet Christian Pirch, CTO und Prokurist bei CyberPower, im Gespräch mit IT-BUSINESS. „Mittlerweile achten aber auch immer mehr kleinere Unternehmen auf den Stromverbrauch.“

Energieeffizienz lautet dabei das Zauberwort. Diese kann auf verschiedenen Wegen erhöht werden. „Etwa mit einer optimalen Klimatisierung der Server-Racks, mit dem Einsatz von hocheffizienten Netzteilen oder durch eine Anpassung des Energiebedarfs anhand der Betriebstemperatur“, weiß Martin Hörhammer, CEO des Systemhauses Medialine. Aber auch durch „Natural Cooling“ können Rechenzentren nachhaltiger und ressourcenschonend betrieben werden. Hier wird die Abwärme der Serversysteme für die Beheizung angeschlossener Büros durch sogenannte ­„Variable refigerant flow“-Technologien genutzt. Die Medialine Group arbeitet mit diesem System bereits in einigen ­Rechenzentren.

Nachhaltigkeit und USVs

Eine an der Rechenleistung orientierte Dimensionierung von USVs kann ebenfalls helfen, Strom einzusparen. „Die meisten USV-Systeme in den mittelgroßen Rechenzentren sind nur zu 20 Prozent ausgelastet“, gibt Pirch zu Bedenken. Dabei gilt die Leistungselektronik dieser Geräte als ein Stromfresser. Auch variiert der Eigenstrom-Verbrauch von USV-Anlagen von Hersteller zu Hersteller sehr stark. Je nach Dimensionierung der USV-Anlage kann dieser Verbrauch, der sich aus Überwachungselektronik, Ladungsüberwachung und Regelelektronik zusammensetzt, zu einem Unterschied bis zum Faktor Zehn führen. Den Eigenstrom-Verbrauch anzugeben, ist derzeit gesetzlich zwar noch nicht vorgegeben, es empfiehlt sich aber in dem Zusammenhang, auf das Gütesiegel „Energy Star“ zu achten, das den Wirkungsgrad von USVs bei mindestens 98,5 Prozent ansetzt.

Kommentar: Christian Pirch, CTO, Prokurist, CyberPower Systems
Im Hinblick auf die weiterhin steigenden Energiepreise und das zunehmende Umweltbewusstsein in der Bevölkerung spielt das Thema Nachhaltigkeit für CyberPower eine tragende Rolle. Neben der GreenPower USV-Technologie integriert CyberPower bereits in professionellen Modellen mit geringer Leistungsstärke ein BMS System, das sonst nur in Systemen für Rechenzentren zu finden ist. Das intelligente Batteriemangement-System (BMS) überwacht und optimiert den Ladeprozess und verlängert so die Lebensdauer der Batterie.

Bildquelle: CyberPower

Auch in puncto Nachhaltigkeit können ­Rechenzentrumsbetreiber technologisch nach- oder aufrüsten: Da die zunehmende Nutzung erneuerbarer Energien im Stromnetz die Instabilität wahrscheinlich eher erhöhen als verringern wird, kommen nicht nur bei den Hyperscalern vermehrt Batteriespeicher und entsprechende Batterie-Managementsysteme (BMS) zum Einsatz. Sie sorgen unter anderem für optimierte Ladeverfahren der USV-Systeme, um die die Anzahl der Lade­zyklen und damit die Lebensdauer der überwachten Anlagen zu vergrößern. Um Beschädigungen der Batterien zu vermeiden, überwachen sie den Status der einzelnen Batterien und schützen vor Tiefentladungen, Überspannungen oder vor zu hohem Entladestrom.

Vernetzung und Interaktion

Zur Erhöhung der Sicherheit der IT-Systeme und damit zur Verbesserung ihrer Lebensdauer empfiehlt sich der Einsatz „automatischer Transfer Switches“ (ATS) zusätzlich zu den USV-Anlagen. Sie ermöglichen eine redundante Stromversorgung aus zwei verschiedenen Quellen und schalten im Falle eines Netzausfalls, wie der Name schon sagt, automatisch auf die alternative Stromquelle zur ­Einspeisung um. Der Hersteller Online USV-Systeme hat die cleveren Schalter in zwei Leistungsklassen soeben ins Portfolio aufgenommen. Über einen Kontakt-Port kann dabei ein externes Monitoring-­System angebunden werden, mit dem IT-Systeme, Maschinen und Anlagen aus der Ferne gesteuert werden können.

Kommentar: Adrian Hanslik Head of Sales Germany IT Channel, Eaton
Unsere Herangehensweise für nachhaltige IT Infrastrukturen nennen wir „Everything as a Grid“: Während der Strom früher in der Regel nur in eine Richtung, von der zentralen Versorgungsquelle zum Verbraucher floss, muss eine moderne Versorgung bidirektional zwischen immer mehr erneuerbaren Erzeugern, Microgrids und Verbrauchern fließen können.

Bildquelle: Eaton

Kommentar: Karin Hernik, Channel Director DACH bei Schneider Electric
Edge-Infrastrukturen gehen weit über eine regionale Ausdehnung wie bei der Filial-Anbindung hinaus. Hier wird das Thema Monitoring und Service gerade für mittelgroße Systemhäuser zu einer echten Herausforderung. Mit unserem Monitoring & Dispatch Service unterstützen wir den Channel mit einem skalierbaren Dienstleistungsangebot.

Bildquelle: Schneider Electric

Häufig werden USVs in Data Center oder Serververbünden auch als Batteriespeicher eingesetzt, um bei Stromausfällen als ­Notversorgung einzuspringen, bis die Notstromaggregate angelaufen sind, weiß ­Adrian Hanslik, Head of Sales Germany IT Channel bei Eaton. Neuartige, digitale USV-Anlagen können dank entsprechender Algorithmen mit dem Netz interagieren und dadurch die Frequenzregelung der Stromanbieter unterstützen. Und neue Speichertechnologien wie Lithium-Ionen-Zellen bieten eine höhere Temperaturfestigkeit und eine längere Lebensdauer als herkömmliche VLRA-Batterien. „Gerade im Edge-Bereich lässt sich so der Service-Aufwand deutlich minimieren“, berichtet Karin Hernik, Channel Director DACH bei Schneider Electric. Durch die höheren Temperaturfenster der USV-Systeme könne bei der Klimatisierung weiter Energie eingespart werden, wenn Server und Netzwerktechnik ebenfalls entsprechend konfiguriert wurden. Dem widerspricht jedoch Christian Pirch von Cyberpower: Lithium-Ionen Akkus sind prinzipiell für zyklische Ladevorgänge konzipiert. Da heutige USVs jedoch zu 95 Prozent im Mitlaufbetrieb eingesetzt werden, finden dabei keine Lade­zyklen statt. Akkus mit Lithium-Ionen seien zudem wesentlich teurer als herkömmliche Blei-Gel-Batterien und auch schwierig zu entsorgen. Bei Blei-Gel sei das Recycling mittlerweile zu 99 Prozent realisierbar. Es bleibt kompliziert!

Ergänzendes zum Thema
Medialine: Energie-Effizienz mit einfachen Mitteln

Martin Hörhammer, CEO von Medialine, führt gemeinsam mit seinem Bruder eines der aufstrebenden Systemhäuser des Landes.
Martin Hörhammer, CEO von Medialine, führt gemeinsam mit seinem Bruder eines der aufstrebenden Systemhäuser des Landes.
( Bild: Medialine AG )

Beim Thema Effizienz ist es essenziell, zusätzlich zu den neusten Technologien den Beratungsansatz nicht zu vernachlässigen. Medialine Group CEO Martin Hörhammer hierzu: „Als Teil unserer Nachhaltigkeitsbestrebungen regen wir den Kunden dazu an, sich gemeinsam mit uns eine ganz simple Frage zu stellen: Müssen die Server überhaupt zu jeder Zeit laufen? Oder kann ich durch optimierte Betriebssysteme meine Workloads und somit gleichzeitig meinen Energieverbrauch minimieren? Somit packen wir das Problem direkt an der Wurzel und integrieren in den Nachhaltigkeitsgedanken auch den Kostenfaktor.“ Zusätzlich setzt die Medialine Group bei einem ihrer Rechenzentren nicht nur auf 100 Prozent grünen Strom, sondern auch auf die neueste Generation an Kühltechnologie: Eine freie, indirekte Kühlung mit Adiabatik.

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