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Sparkonzept: Modell des OneCube am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt
Energieeffizienz

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Cooler Würfel stoppt Energiefresser

Text: Alexander Hauser, e³ Computing
Die digitale Welt produziert gigantische Datenströme in immer leistungsfähigeren Rechen­zentren. Ihre Kühlung frisst jedoch riesige Energiemengen. Aufgrund des Kostendrucks suchen Unternehmen nach neuartigen Kühl- und Bautechnologien, um Energie zu sparen.

Trends wie soziale Netzwerke, Smartphone- und Cloud-​Nutzung haben eine Welle von Privatnutzerdaten ausgelöst, die unaufhaltsam auf Rechenzentren zurollt. Hinzu kommen Entwicklungen in Unternehmen wie die zunehmende Digitalisierung gerade in Forschungs- und Entwicklungsabteilungen. In der Öffentlichkeit wächst dabei langsam das Bewusstsein, dass auch Datenverarbeitungsprozesse – genau wie beispielsweise die Automobil- oder Luftfahrtbranche – einen sehr großen Energiebedarf haben und hohe Belastungen für die Umwelt entstehen. Dabei sollten IT-Prozesse eigentlich der Verschlankung dienen, und nicht für zusätzliche Belastungen in diesem hohen Maße sorgen.

Verlässliche Hochleistungsserver benötigen aufgrund ihres wärmeproduzierenden Dauerbetriebs eine konstante und energieintensive Kühlung. In vielen Rechenzentren vereinnahmt die Kühlung etwa die Hälfte der notwendigen Energie für den Betrieb. Zwar hat sich die Energieeffizienz von Servern und ihrer Klimatisierung aufgrund des technischen Fortschritts in den letzten Jahren kontinuierlich verbessert. Durch das enorme Datenwachstum steigt der Energieverbrauch aber trotzdem stark an. Parallel haben sich die Stromkosten durch Preissteigerungen am Energiemarkt von 2008 bis 2012 um fast 20 Prozent erhöht. Laut einer Studie des Borderstep Instituts für Innovation und Nachhaltigkeit werden die Stromkosten allein für den Betrieb deutscher Rechenzentren bis 2015 um weitere 200 Millionen Euro steigen.

Einsparpotenzial durch neue Technologien

Steigende Strompreise und Bemühungen um Nachhaltigkeit erfordern neue Wege. Helfen sollen neue Kühl- und Bauweisen für Rechenzentren. Eine neue Technologie von e³ Computing (e³C) schafft sogar eine Senkung des Stromverbrauchs gegenüber dem deutschen Rechenzentrumsdurchschnitt um mehr als ein Drittel. Würden alle Rechenzentren in Deutschland mit der effizienten Technologie ausgestattet, entstünde – die Zahlen des Verbands DataCenterDynamics zugrundegelegt – eine Einsparung von knapp 7,9 TWh oder rund 4,6 Millionen Tonnen CO2. Damit könnte ein Auto mit einem Ausstoß von 130 g pro km über 33 Milliarden Kilometer fahren. Bei einem Jahresmittel von 16.500 Kilometer pro Fahrzeug entspricht das den Gesamtemissionen von 2 Millionen Autos.

Die passive Kühltechnik bietet die Möglichkeit, trotz kompakter Bauweise viel Energie zu sparen. Dies gelingt in Kombination mit dem dreidimensionalen Aufbau der Racks. Durch ihre Bauweise lassen sich die Racks, in denen die Server stehen, sehr kompakt anordnen. Die Kühlung geschieht direkt an jedem Rack und ersetzt so die energieintensive Klimatisierung ganzer Räume, wie es in vielen Rechenzentren Standard ist. Das reduziert Investitionskosten und wirkt sich zusammen mit den niedrigeren Energiekosten positiv auf die Total Cost of Ownership von Rechenzentren aus.

Durch den würfelartigen Aufbau des Rechenzentrums lassen sich neben deutlicher Platzersparnis auch höhere Leistungsdichten auf der Gebäudefläche realisieren. Durch die Kühlung direkt am Rack kann im Gegensatz zu konventionellen Rechenzentren so auf raumfüllende Elemente wie doppelte Etagen oder Einhausungen verzichtet werden. Aus diesen Faktoren resultiert eine konzeptionelle und planerische Flexibilität: Von Rechenzentren im Forschungs- und Entwicklungsbereich bis zu Data Centers mit sehr hohen Verfügbarkeitsanforderungen reicht das Anwendungsgebiet.

Im Gegensatz etwa zu ebenfalls hocheffizienten grundwasserbasierten Technologien funktioniert das e3C-Kühlsystem standortunabhängig. Es basiert auf einer sehr effizienten Wasserkühlung. Konventionelle Rechenzentren setzen auf Luftkühlung, weil in der Branche noch immer eine gewisse Furcht vor Wasserschäden herrscht. Allerdings ist Wasser aufgrund seiner physikalischen Gesetze sehr viel besser zur Kühlung geeignet als Luft.

Die Technologie in der Praxis

Das Kühlungskonzept kommt bereits in mehreren Rechenzentren zum Einsatz, wie im „MiniCube“-Höchstleistungsrechenzentrum beim GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt. Das Kühlsystem ist ausgelegt auf eine Kapazität von 1,8 MW. Der PUE-Wert (Power Usage Effectiveness) des Rechenzentrums liegt im Jahresmittel unter 1,07 bei Rückkühlung über Nasskühltürme. Der durchschnittliche PUE der deutschen Rechenzentren liegt bei etwa 1,7. Die Technologie schafft also eine Senkung des Stromverbrauchs um gut ein Drittel gegenüber dem Durchschnitt in Deutschland. Viele der großen deutschen Unternehmen orientieren sich mittlerweile an einem PUE von 1,1, der vor kurzem noch undenkbar schien.

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