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Energieeffizienz im Rechenzentrum: Es ist nicht alles IT, was Strom frisst 

Bei Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz im Rechenzentrum sollte neben energiesparender Hardware vor allem die versorgende Infrastruktur im Fokus stehen. Von Michael Schumacher, Senior Systems Engineer bei APC by Schneider Electric.    

 

Datum: 24 Feb 2012

Grüne Festplatten, Öko-Prozessoren, Megatrend Green IT: Glaubt man der Berichterstattung, entwickelt sich die IT-Branche nahezu zur Umweltbewegung. Doch bei genauerer Betrachtung zeigt sich, dass es in Sachen Energieeffizienz im Rechenzentrum noch viel zu tun gibt. Über 10 Terawattstunden elektrischer Energie werden jährlich für die Versorgung von Servern und Co benötigt. Das bedeutet, dass in Deutschland vier mittelgroße Kohlekraftwerke ausschließlich für Rechenzentren arbeiten (Quelle: Borderstep Institut). Gerade einmal bis zu zwei Drittel der aufgenommenen elektrischen Energie werden dabei tatsächlich auch den IT-Geräten zugeführt. Ein Großteil des Energiebedarfs entsteht vielmehr durch das Stromversorgungssystem und die Kühlung. Ein guter Grund, beim Thema Energieeffizienz zukünftig nicht nur stromsparende Rechner zu betrachten, sondern auch die versorgende Infrastruktur unter die Lupe zu nehmen.  

Die Energieverluste im Rechenzentrum lassen sich recht eindeutig verschiedenen Ursachen zuordnen:

Wirkungsgradabnahme im Rechenzentrum durch Stromversorgungs- und Kühlungsgeräte

Komponenten wie Transformatoren, Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV), Sicherungselemente und Kabel nehmen Leistung auf und produzieren dabei Wärme. Bei Kühlgeräten ist ein solcher Wirkungsgradverlust in Form von Abwärme in der Regel sehr viel größer als bei Stromversorgungsgeräten. Werden diese Systeme aus Redundanzgründen gleich doppelt oder deutlich unter ihrer Nennleistung betrieben, verschlimmert sich die Verschwendung durch diesen Faktor.

Überdimensionierung von Rechenzentren

Überdimensionierung ist eines der häufigsten Probleme bei der Planung von Rechenzentren. Von Überdimensionierung spricht man, wenn der Nennwert des Stromversorgungs- und Kühlsystems deutlich größer ist als die IT-Last. Ein Auslastungsgrad von etwa 80 Prozent in nicht redundanten Systemen gilt als ideal, um sofortige Reserven für Lastschwankungen und Erweiterungen zu Verfügung zu stellen. Überdimensionierung kann dabei in den unterschiedlichsten Kombinationen auftreten. So werden viele Stromversorgungs- und Kühlsystem von vorneherein für eine zu große IT-Last geplant. Anstatt Server und versorgende Komponenten im Gleichtakt wachsen zu lassen werden Kühlung und Stromversorgung in den meisten Fällen von Anfang an auf mögliche Endausbaugrößen ausgelegt. Bei derart unterforderten Systemen ist der elektrische Wirkungsgrad aber ausgesprochen schlecht. Es empfiehlt sich, hier sehr genau hinzusehen und sich exakte Wirkungsgradangaben für den Teillastbereich der einzelnen Komponenten zu beschaffen. Auf die Angaben auf Datenblättern sollten sich die Planer dabei besser nicht verlassen – diese beziehen sich meist auf die Volllast.

Konfigurationsbedingte Wirkungsgradverluste

Auch die Platzierung der IT-Geräte im Raum hat einen erheblichen Einfluss auf den Energieverbrauch des Kühlsystems. Bei einer unzureichenden Konfiguration ist in den Rechenzentren eine viel größere Luftmenge umzuwälzen und zu kühlen als für die IT-Geräte erforderlich wäre. Die Trennung von Warm- und Kaltluftbereichen wird häufig nur unzureichend realisiert. Konfigurationsprobleme wie diese bestehen in praktisch allen gegenwärtig betriebenen Rechenzentren und verursachen unnötige Energieverluste.

Maßnahmen zur Verbesserung des Wirkungsgrades

Die Möglichkeiten zur Steigerung der Energieeffizienz IT-unterstützender Systeme sind vielfältig. Eine Architektur, die beispielsweise die physikalische Konfiguration – also die Positionierung und Dimensionierung von Komponenten – systematisch optimiert, kann den Energieverbrauch drastisch senken. Dabei gibt es für Rechenzentrumsplaner und -betreiber gleich eine Reihe von Möglichkeiten, mit vergleichsweise wenig Aufwand erhebliche Einsparungen zu erzielen. So lässt sich über eine skalierbare Stromversorgungs- und Kühllösung der Wirkungsgrad deutlich steigern. Wird also statt eines Vollausbaus eine mitwachsende Lösung gewählt, so können Investitions- und Betriebskosten aufgeschoben werden, bis diese wirklich erforderlich sind.

Erhebliches Optimierungspotenzial bietet auch die reihenbasierte Kühlung. Dabei werden Klimaanlagen innerhalb der IT-Schrankreihen und nicht an den Wänden des Rechnerraums positioniert. Die Verkürzung des Luftstromweges reduziert die Vermischung von Warm- und Kaltluftströmen und verbessert dadurch die Berechenbarkeit der Luftverteilung. Außerdem wird bei dieser Art der Kühlung die warme Luft der IT-Geräte so warm wie möglich, also ohne Vermischung mit der Kaltluft, dem Kühlgerät zugeführt. Zusammen bewirken diese Effekte eine drastische Verbesserung des Wirkungsgrades der Lüftungsanlage im Serverraum.

Idealerweise kommen dann noch Pumpen und Kühlaggregate zum Einsatz, die mit Antrieben mit variabler Drehzahl und entsprechenden Steuerungen ausgestattet sind. Auf diese Weise können Drehzahl und Leistungsaufnahme reduziert und der aktuellen IT-Last und den aktuellen Außentemperaturen angepasst werden. Die Energieeinsparungen betragen je nach Ausgangssituation durchaus zehn bis dreißig Prozent oder mehr – insbesondere bei Serverräumen, die nicht bei voller IT-Nennlast betrieben werden oder Redundanz im Bereich der Kühlaggregate oder Pumpen aufweisen.

Nicht zu unterschätzen sind auch die Einsparpotenziale, die aktuelle USV-Systeme bieten. Diese sollten innerhalb der Norm EN-52040-3 zur Beschreibung der Leistungsfähigkeit von USV-Anlagen als VFI-SS-111 klassifiziert sein. Das bedeutet, die Geräte sind auf eine sichere Stromversorgung ausgelegt und dabei auf maximale Wirkungsgrade optimiert. Einbußen bei der Versorgungssicherheit zugunsten besserer Wirkungsgrade sind durch diese Klassifizierung ausgeschlossen.

Der Wirkungsgrad einer energieeffizienten USV ist für jede IT-Last signifikant höher und der Wirkungsgradgewinn bei geringeren Lasten am größten. So weisen beispielsweise die neuesten USV-Systeme bei 30 Prozent Last eine Wirkungsgradsteigerung von über zehn Prozent gegenüber vielen aktuell installierten USV-Systemen auf. In diesem Fall reduzieren sich die tatsächlichen Leistungsverluste der USV nachweislich um circa 60 Prozent. Wichtig ist dabei auch, dass USV-Verluste in Form von Wärme ebenfalls von einer Klimaanlage gekühlt werden müssen und dadurch weiterer Energieverbrauch entsteht.

Softwaretools zur Planungshilfe: Kapazitätsplanung von Anfang an

Die genannten Aspekte sind durchaus komplex und stehen in einer engen Wechselwirkung zueinander. Wer sich als IT-Administrator und Rechenzentrumsplaner nicht in einem Wirrwarr aus Luftstromberechnungen und Wirkungsgradanalysen verlieren möchte, ist auf leistungsfähige Planungshilfen angewiesen, in denen sich Parameteränderungen und ihre praktischen Auswirkungen schon im Vorfeld ausprobieren lassen. Mit einer Planungssoftware, wie sie APC seinen Kunden bietet, können viele Fragen rund um die Effizienz im Rechenzentrum geklärt werden. Eine davon betrifft die Platzierung von Servern. Durch eine Visualisierung sind Schwachstellen von Stromversorgung und Kühlung schnell erkennbar. Statt also etwa technische Daten aus den Datenblättern der Systeme extrahieren und verarbeiten zu müssen, genügt ein Klick, um Komponenten und ihre Spezifikationen abzurufen und zu sehen, wie sie sich im Zusammenspiel mit weiteren IT-Geräten verhalten. Dabei arbeiten moderne Softwaresysteme nicht nur mit theoretischen Daten, sondern greifen auf die im Betrieb gewonnen Parameter zurück. Basierend auf Informationen zu Stromverbrauch, Kühlleistung und Temperaturen werden Analysen erstellt, die sich flexibel ändern, sobald etwa die Auslastung einzelner Systeme zunimmt. Gerade bei aktuellen Cloud-Umgebungen mit ihrer hohen Leistungsaufnahme ist dies ein großer Vorteil.

Optimierung und ihre Grenzen

Trotz vielversprechender Ansätze sind der Reduzierung von Wirkungsgradverlusten im Rechenzentrum auch Grenzen gesetzt. Die größten Hindernisse für weitere Wirkungsgradsteigerungen der Stromversorgungs- und Kühlsysteme standen bislang in Zusammenhang mit den Kühlsystemen. Der Abtransport der anfallenden Wärme durch Medien wie Kältemittel oder Wasser-/Glykolmischungen sind ausgereifte Technologien, die jedoch nur noch geringes Optimierungspotenzial bieten. Die Verwendung von Kaltwasser bei 12 bis 15 Grad Celsius Vorlauftemperatur in Verbindung mit einer indirekten freien Kühlung bietet ab etwa 50 Kilowatt Kälteleistung deutliche Ersparnisse. Moderne Technologien wie Luft-/Luft-Wärmetauscher mit adiabater Kühlung setzen hier neue Maßstäbe. Unter Nutzung der Verdunstungskälte von Wasser wird hier ein extrem energieeffizientes und leistungsfähiges Kühlsystem aufgebaut. Dabei bleibt es bei einer vollständigen Trennung der Luftströme im Rechnerraum und der Außenluft.

Um optimale Einsparungen zu erzielen ist es sinnvoll, die versorgende Infrastruktur besser in das Gesamtsystem Rechenzentrum zu integrieren. Eine intelligente Steuerungssoftware ermöglicht – beispielsweise in Verbindung mit der Virtualisierung der IT-Geräte – eine gezielte Lastverteilung, wenn in der Nacht die Zugriffszahlen sinken oder zu Hauptbetriebszeiten die maximale Nutzung der vorhandenen IT-Systeme gefordert ist. In dieser Hinsicht schafft eine Kombination aus cleverer IT-Technik sowie optimierter Kühlung und Stromversorgung erhebliche Einsparpotenziale.

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