Strom sparen in Serverraum und Rechenzentrum

Noch bis Anfang des Jahres beherrschte die „Fridays for Future“-Bewegung und mit ihr der Klimawandel die Schlagzeilen. Doch dann kam die durch das Virus SARS-CoV-2 ausgelöste weltweite Krise und die Prioritäten verschoben sich. Themen wie Gesundheitsschutz und Homeoffice drängten in den Vordergrund. Erst als vielerorts aufgrund der zurückgegangenen Mobilität die Luft besser wurde und der Smog verschwand, kehrten auch die Themen Nachhaltigkeit und der Schutz der Umwelt wieder in die öffentliche Diskussion zurück.

Die Krise hat nicht nur in vielen Regionen die Luft verbessert, sondern auch den Strommarkt durcheinandergewirbelt. Und das hat durchaus auch Auswirkungen auf den Betrieb von Rechenzentren.

Zwei wichtige Parameter stellen sich wie folgt dar: Einerseits ist der Gesamtenergieverbrauch in vielen Ländern in den vergangenen Monaten deutlich gesunken. Andererseits lag der Anteil der erneuerbaren Energien am Stromverbrauch in Deutschland erstmals bei rund 52 Prozent, wie der Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft (BDEW) mitgeteilt hat.

Grund dafür war, dass der Verbrauch vor allem in der Industrie eingebrochen ist, da viele Fabriken ihre Produktion drosseln oder komplett herunterfahren mussten. Das wiederum wirkte sich zum Vorteil der Betreiber von Windkraft- und Solaranlagen aus, weil sie ihren Strom nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) vorrangig in die Netze einspeisen dürfen.

Wie zu erwarten war, sind durch die reduzierte Nachfrage mittlerweile die Strompreise gesunken. Das hängt nach Angaben des BDEW aber auch damit zusammen, dass bereits beschaffte und nun überflüssige Mengen wieder in den Markt zurückgelangt sind. Großunternehmen decken sich meist bereits im Vorfeld mit Strom für die kommenden Jahre ein. Diesen haben sie nun nicht benötigt, sodass sie die Kontingente wieder veräußern mussten. Das Überangebot führte dann ebenfalls zu niedrigeren Preisen.

Diese Situation hat für die betroffenen Unternehmen aber auch Vorteile. So können sie sich jetzt mit günstigem Strom für die nächsten Jahre eindecken.

Einen besonders großen Bedarf an Energie haben neben der Industrie die Rechenzentren und die in ihnen untergebrachten Server. „Wäre das Internet ein Land, so hätte es weltweit den sechstgrößten Stromverbrauch“, bringt es beispielsweise Niklas Schinerl, Greenpeace-Experte für Energie, auf anschauliche Weise auf den Punkt.

Insbesondere der Bedarf an sauberem Strom wächst Schinerl zufolge rasant. „Wir brauchen ihn zum Betanken von Elektroautos, zum Heizen unserer Wohnungen ohne Gas, Öl oder Kohle - und nicht zuletzt für die fortschreitende Digitalisierung.“ Es sei deswegen höchste Zeit, das Energiesystem umzubauen.

In Deutschland gibt es mehrere Zehntausend Rechenzen­tren. Besonders viele von ihnen befinden sich in Frankfurt am Main, weil dort der DE-CIX (Deutsche Commercial Internet Exchange) untergebracht ist. An diesem weltgrößten Internetknoten wurde Anfang März dieses Jahres erstmals ein Durchsatz von mehr als 9,1 Terabit pro Sekunde gemessen. Das entspricht nach Angaben des Betreibers, der DE-CIX Management GmbH, einer Übertragung von über zwei Millionen HD-Videos gleichzeitig beziehungsweise einer Datenmenge von etwa zwei Milliarden beschriebenen DIN-A4-­Seiten pro Sekunde.

Wenige Monate zuvor, im Dezember 2019, lag der Durchsatz noch bei 8 Terabit pro Sekunde. Während sich der durchschnittliche Traffic laut DE-CIX um etwa 10 Prozent erhöht hat, gab es vor allem bei den durch Videokonferenzen verursachten Daten einen Anstieg um etwa 50 Prozent. Außerdem verzeichnete der Betreiber eine Zunahme des Datenverkehrs von 25 Prozent durch das Online- und Cloud-Gaming. Und all diese Entwicklungen schlagen sich auch in einem erhöhten Stromverbrauch in den Rechenzentren der Betreiber nieder.

Insgesamt verbrauchen die Rechenzentren in Frankfurt nach Berechnungen des Berliner „Tagesspiegel“ etwa 20 Prozent des gesamten benötigten Stroms in der Finanzmetropole. Dieser hohe Bedarf ist nicht nur aus Kostengründen ein Problem. Die Server in den Rechenzentren produzieren fortlaufend Abwärme, die abgeführt werden muss. Der Großteil verpufft bislang ungenutzt. Es gibt aber schon erste Projekte, bei denen versucht wird, die produzierte Abwärme einer anderen Nutzung zuzuführen.

Nach Angaben des Netzwerks energieeffiziente Rechenzentren (NeRZ) werden in Rechenzentren in Deutschland bislang etwa 13 Milliarden Kilowattstunden (kWh) Strom in Wärme umgewandelt, die meist ungenutzt an die Umgebung abgegeben wird. 50 Prozent der vom NeRZ in Zusammenarbeit mit eco - Verband der Internetwirtschaft befragten Rechenzentrumsbetreiber sehen jedoch für die Zukunft hohe Potenziale für eine Nutzung dieser Wärme. So können sie sich vorstellen, sie beispielsweise für die Beheizung von Wohnhäusern, Schwimmbädern, Wäschereien oder Gewächshäusern zu verwenden.

Doch wo genau wird in einem Rechenzentrum der Strom verbraucht? Laut der vor ein paar Jahren vom amerikanischen Lawrence Berkeley National Lab veröffentlichten Studie „United States Data Center Energy Usage Report“ entfallen im Schnitt 43 Prozent des Strombedarfs in den Rechenzentren auf die Bereiche Kühlung und Energieversorgung. Weitere 43 Prozent werden für den Betrieb der Server benötigt, 11 Prozent für den Storage und nur 3 Prozent für den Betrieb der Netzwerke.

Vor Kurzem hat das Labor eine weitere Studie in der Zeitschrift „Science“ veröffentlicht. In „Recalibrating global Data Center Energy-use Estimates“ schreiben die Autoren, dass die Rechenleistung zwischen 2010 und 2018 um etwa 600 Prozent gestiegen ist, der Energiebedarf aber im selben Zeitraum nur um 6 Prozent zugelegt hat. Das bedeutet, dass es den Betreibern bereits in den vergangenen Jahren durchaus gelungen ist, die Energieeffizienz zu steigern.

Für die Kühlung ihrer gigantischen Anlagen setzen insbesondere große Cloud-Unternehmen zunehmend auf innovative Konzepte, für die gern der schicke Begriff „Free Cooling“ verwendet wird. So haben sie beispielsweise öffentlichkeitswirksam einen Teil ihrer Rechenzentren in Gebiete verlegt, die sich nördlich des Polarkreises befinden. Dadurch lassen sich zum Teil erhebliche Energiekosten einsparen, die ansonsten für die Kühlung der Server benötigt würden. In Norwegen etwa gibt es seit 2016 das Lefdal Mine Data Center, das mit seinen sechs Stockwerken und 75 Räumen eine Fläche von etwa 120.000 Quadratmetern umfasst. Damit ist das Lefdal Mine Data Center eines der größten Rechenzentren in Europa.

Die Mine liegt neben einem Fjord, dessen 8 Grad Celsius kaltes Wasser für die Kühlung der Server verwendet werden kann. Spezial-Container, die in Zusammenarbeit mit dem hessischen Systemanbieter Rittal entwickelt worden sind, können in der Mine bis zu drei Etagen hoch gestapelt werden. Ein solcher RiMatrix Data Center Container (RDC) besteht aus einer robusten Hülle, die bereits eine anschlussfertige IT-Infrastruktur inklusive USV-Einheiten (unterbrechungsfreie Stromversorgung) enthält. Der Kunde muss nur noch seine Server installieren, bevor der Container in der Mine untergebracht werden kann.

Einige Cloud-Anbieter würden ihre Server dagegen am liebsten im Meer versenken, um auf diese Weise Strom zu sparen. Microsoft forscht schon seit Jahren an einem Unterwasser-Rechenzentrum. Das „Project Natick“ soll „dem steigenden Bedarf nach Cloud-Infrastruktur in der Nähe von Ballungszentren Rechnung tragen“, schreibt der Hersteller. Im Sommer 2018 wurde nahe der schottischen Orkney-Inseln ein Rechenzentrum in den Ozean gelassen, das etwa so groß ist wie ein Standard-Container.

Der Clou an dem Projekt ist das verwendete Wärmeaustauschverfahren, das ursprünglich für die Kühlung von U-Booten entwickelt wurde. Mit diesem System kann kaltes Meerwasser durch die Kühler auf der Rückseite der zwölf verbauten Server-Racks geleitet werden.

Die Forschungen bei Microsoft sind noch nicht abgeschlossen. Wenn die Systeme reif für die Praxis sind, sollen sie an verschiedenen Plätzen weltweit „in Küstennähe“ untergebracht werden.

Kleinere und mittlere Unternehmen werden aber selbst kaum je in der Lage sein, ihrerseits ihre Rechenzentren im Meer oder am Polarkreis zu versenken. Sie benötigen andere, praktikablere Lösungen, um den Energieverbrauch ihrer Server zu reduzieren. Unterstützung dabei leistet beispielsweise das Schweizer Bundesamt für Energie (BFE). Unter der Adresse www.dc
energy.ch/check/?lang=de bietet es in Form eines kurzen Fragebogens einen „Energie-Check für Serverräume und Rechenzentren“ an. Unter anderem geht es in dem Check um Fragestellungen zum Auslastungsgrad der vorhandenen IT-Geräte, zur Energieeffizienz der Storage- und Backup-Systeme sowie natürlich um die Kühlung. Am Ende der Analyse erhalten die Teilnehmer Hinweise, wie sie die Energieeffizienz ihres Rechenzentrums verbessern können. Keine tief greifende Analyse, aber immerhin ein Anfang.

Beispiele für die empfohlenen Maßnahmen sind eine Wiederverwendung der entstehenden Abwärme, eine Konsolidierung der Anwendungen und ein modernes Asset-Management der eingesetzten Komponenten. Auch zu einer Auslagerung der IT-Infrastruktur an einen externen Provider wird geraten. Dadurch lasse sich der Engergieverbrauch im Haus senken.

Diese Art Maßnahmen verlagern das eigentliche Problem allerdings nur. Weitere Empfehlungen finden sich unter www.dcenergy.ch/actions. Hier lässt sich etwa prüfen, welchen Unterschied die Zahl der Server macht, die ein Unternehmen in seinem Rechenzentrum betreibt.

Wie schon ausgeführt, ist die Wärmeerzeugung oft das größte Problem. Die für die Kühlung benötigten Systeme und Klimaanlagen brauchen sehr viel Energie. Und nicht jeder kann oder will nun mal seine Server in weit entfernten Minen, im Meer oder in einer Windkraftanlage unterbringen. Abhilfe können zum Teil bereits recht einfache Mittel bringen. So sollten die Server-Räume vor direkter Sonneneinstrahlung geschützt werden, damit keine zusätzliche Wärme entsteht, die dann ebenfalls abgeführt werden muss.

Falls ein Neu- oder Umbau ansteht, sollten die Serverräume nach der lokal vorherrschenden Windrichtung ausgerichtet und mit Lüftungsklappen oder Fenstern ausgestattet werden. Diese können dann in den kälteren Monaten geöffnet werden, um die entstehende Zugluft als eine Art Gratiskühlung zu nutzen. Wenn die Luft unter den Bodenplatten durchgeleitet werden soll, muss allerdings darauf geachtet werden, dass sie die Räume nicht zu schnell durchquert. Da kalte Luft schwerer ist als warme Luft, würde so nur eine unzureichende Kühlung der oberen Schichten erfolgen.

Manchmal wird aber auch einfach nur zu viel gekühlt. Ursprünglich hatte etwa die American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) im Jahr 2004 eine optimale Temperatur zwischen 20 und 25 Grad Celsius für Rechenzentren empfohlen. Damals ging es vor allem um die Themen Verlässlichkeit und möglichst lange Betriebszeiten der Server. Eine Reduzierung der Energiekosten war zweitrangig. Mittlerweile hat die ASHRAE den empfohlenen Bereich angepasst - auf 18 bis 27 Grad Celsius. Das bedeutet, dass auch bei einer Temperatur von 27 Grad Celsius ein effizienter Betrieb der Server gewährleistet ist. Zusätzliche Kühlungsmaßnahmen sind dann nicht erforderlich.

Später veröffentlichte die US-Organisation noch eine Kategorisierung nach Klassen, bei denen unter Umständen sogar Temperaturen von bis zu 45 Grad Celsius noch toleriert werden können. Gerade ältere Hardware ist dafür aber nicht in jedem Fall ausgelegt. Eine der Anforderungen bei der Umsetzung neuer Maßnahmen zur Kühlung ist deswegen, das optimale Temperaturfenster zu finden, das für die gesamte in einem Data-Center vorhandene IT-Ausrüstung geeignet ist. In der Vergangenheit hatten Rechenzentren oft den Ruf, wie Kühlschränke zu sein. Das muss aber nicht mehr so sein. Viele aktuelle Server arbeiten auch noch bei 35 Grad Celsius ohne Probleme.

Ein weiterer wichtiger Punkt beim Reduzieren des Strombedarfs in Rechenzentren und beim Betrieb von Servern generell ist die Energieeffizienz. Mit der Anschaffung energieeffizienter Hardware lassen sich nach Angaben des Borderstep Instituts für Innovation und Nachhaltigkeit zwischen 40 und 75 Prozent der benötigten Energie einsparen. Die gemeinnützige Forschungseinrichtung hat die möglichen Einsparungen unter anderem anhand einer Optimierung der IT-Infrastruktur eines Gymnasiums in Hannover durchgerechnet. Dort seien „fünf Energiespar-Server mit einem Stromverbrauch von nur 35 Watt“ gekauft worden. Konventionelle Server hätten dagegen einen Bedarf von 130 Watt. Bei durchaus vergleichbaren Anschaffungskosten könne das Gymnasium binnen fünf Jahren rund 3.000 Euro an Stromkosten einsparen.

Mit einem weiteren Rechenbeispiel belegt das Borderstep Institut, wie wichtig auch die Konsolidierung der IT ist. So habe eine Gemeinde in Dänemark 15 kleinere Rechenzentren an einem einzigen Standort zusammengeführt. Zusätzlich sei über ein Virtualisierungsprojekt die Auslastung der einzelnen Server „deutlich gesteigert“ worden. Das habe dazu geführt, dass die Gemeinde jetzt nur noch 60 statt wie bisher 700 Server benötigt. Der Stromverbauch sei durch diese Maßnahmen um rund 75 Prozent gesenkt worden.

Auf Basis seiner Untersuchungen hat das Borderstep Institut ein in fünf Phasen eingeteiltes Modell entwickelt, mit dem Unternehmen die Energieeffizienz in ihren Rechenzentren verbessern können. In Phase 1 müssen zunächst die Verantwortlichkeiten geklärt werden. Es sollte etwa ein „Energiemanager“ für das Rechenzentrum benannt werden, der die Erstanalyse koordiniert und die weiteren Maßnahmen begleitet. Im Idealfall hat die ausgewählte Person zudem Einfluss auf die Beschaffung. In Phase 2 muss eine sorgfältige Aufnahme und Analyse des Ist-Zustands und der Anforderungen des Unternehmens erfolgen. Dabei sollte das Rechenzentrum auch als Ganzes betrachtet werden. Konkrete Maßnahmen können dann in Phase 3 geplant und umgesetzt werden. Eine besondere Rolle spielt hier wiederum der Beschaffungsprozess, da die Energieeffizienz neuer Systeme berücksichtigt werden muss. Bei Nutzungszeiten von fünf bis zehn Jahren seien die „möglichen Einsparungen durch vorausschauend beschaffte energieeffiziente Hardware enorm“.

Die eingeleiteten Maßnahmen und die damit erreichten Fortschritte müssen dann in Phase 4 kontrolliert werden. Dafür empfiehlt das Borderstep Institut die „Überwachung geeigneter Kennzahlen durch ein Energie-, Temperatur- und IT-Last-Monitoring-System“, das die Daten aller relevanten Anlagen und Systeme erfasst. Erst dadurch werden die Maßnahmen transparent, sodass Einspareffekte erkannt und dokumentiert werden können. Die dabei verwendeten Review-Prozesse sollten regelmäßig wiederholt werden. In der fünften und letzten Phase können die Stromkosten dann „verursachergerecht“ den IT-Kosten zugewiesen werden. Allein das führt nach Auffassung der Experten „automatisch zu einem sparsameren Verhalten“. Zudem sei es „unternehmensintern sinnvoll, die Leistungen der IT-Abteilung aufwandsbezogen abzurechnen, um damit auch die Abnehmer von Rechenzentrumsdienstleistungen zu größerer Sparsamkeit zu motivieren“.

Moderne Rechenzentren sind mit zahlreichen Mechanismen zur Erhöhung der Ausfallsicherheit ausgestattet. Dazu gehören unterbrechungsfreie Stromversorgungen, Aggregate, um im Notfall Strom erzeugen zu können, sowie in vielen Fällen redundant ausgelegte Systeme. Dadurch soll eine maximale Verfügbarkeit der IT-Infrastruktur garantiert werden. Diese Vorkehrungen haben sicher ihre Berechtigung, erfordern jedoch ihrerseits einiges an Energie für den Betrieb. Nach Ansicht des Borderstep Instituts sind aber „moderne Systeme bereits sowohl energieeffizient als auch ausfallsicher“. Durch ein am tatsächlichen Bedarf an Betriebssicherheit ausgerichtetes sowie modulares und skalierbares Konzept könne der Stromverbrauch oft deutlich gesenkt werden, ohne dass die Betriebssicherheit darunter leide.

Zu den weiteren wichtigen Maßnahmen gehört auch eine Konsolidierung der einzelnen Anwendungen auf den Servern und der dort gespeicherten Daten. Das Borderstep Institut empfiehlt unter anderem die Einführung einer internen Kostenstellenrechnung für die benötigten Anwendungen und den Storage. Es führe dazu, dass sich weitere Möglichkeiten zu Einsparungen auftäten, wenn jeder Bereich im Unternehmen die Kosten selbst tragen müsse. Selten benötigte Daten könnten darüber hinaus auf optischen Speichermedien oder Magnetbändern abgelegt werden, die weniger Strom benötigen. Moderne Storage-Systeme verfügen zudem häufig über ein hierarchisches Speichermanagement (HSM), das etwa seit Monaten nicht mehr benötigte Dateien automatisch archivieren kann. Dies führe zu einer wesentlichen Entlastung der Serverspeicher und falle den Nutzern nur durch etwas verlängerte Zugriffszeiten bei lange nicht verwendeten Dateien auf.

Weitere Potenziale zur Einsparung von Energie bringt die Nutzung der Virtualisierungstechnologie. Moderne Server bieten oft genügend Leistung, um mehrere virtuelle Server darauf betreiben zu können. So ist es nach Angaben des Borderstep Instituts durchaus möglich, bis zu 20 ältere Server auf eine einzige leistungsstärkere Maschine umzuziehen. Auch ein Umstieg auf Thin-Client-Lösungen könne bis zu 50 Prozent der bisher benötigten Energie für Arbeitsplatz-PCs einsparen.

In den vergangenen Jahren sind die Stromkosten für den Betrieb von Rechenzentren deutlich gestiegen. Dabei gibt es bereits viele Möglichkeiten, den Bedarf zu senken und zumindest einen Teil der Kosten einzusparen. „Wenn sich die aktuelle Situation so fortsetzt, dann steigt der Energiebedarf der Rechenzentren in den nächsten zehn Jahren weltweit um mehr als
60 Prozent an“, warnt Ralph Hintemann, Rechenzentrumsexperte des Borderstep Instituts.

Konzepte, bei denen Server in Minen untergebracht oder mit viel Publicity im Meer versenkt werden, sind für die überwiegende Mehrheit der über 50.000 Rechenzentren in Deutschland jedoch keine adäquate Lösung. Weit wichtiger ist es, die eigenen Einsparpotenziale vor Ort im Unternehmen zu erkennen und konsequent zu nutzen. Als Ausgangspunkt dafür sind Leitfäden hilfreich, wie sie unter anderem vom Netzwerk energieeffiziente Rechenzen­tren, dem Borderstep Institut und dem Digitalverband Bitkom veröffentlicht wurden.