GREEN-IT. Ein Ein Leitfaden zur Optimierung Energieverbrauchs des IT-Betriebes Version 1.0. Optimierung des Energiever brauchs

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1 GREEN-IT Ein Ein Leitfaden zur Optimierung zur des Energieverbrauchs des IT-Betriebes Version 1.0 Optimierung des Energiever brauchs des IT-Betriebes Version 1.0

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3 3 INHALTSVERZEICHNIS Inhaltsverzeichnis... 3 Abkürzungsverzeichnis... 6 Abbildungsverzeichnis... 7 Tabellenverzeichnis... 8 Management Summary... 9 I. Einleitung II. Adressatenkreis III. Bewertungsansatz IV. Maßnahmen ORGANISATORISCHE MAßNAHMEN Entwicklung einer Green-IT-Strategie Organisatorische Konsolidierung Green-IT-Beauftragter Eingliederung im Managementsystem Ausweisen von Kosten Energie-Monitoring Aufstellung von Metriken Beschaffung Kommunikationsplan Engagement bei Initiativen Einbindung von IT-Verfahren Schulung von Mitarbeitern RECHENZENTREN IT-Equipment Anwendungskonsolidierung Virtualisierung der Server Einschalten der Energiesparfunktion des Servers Einsatz von effizienten Prozessoren Einsatz von Blade-Servern Einsatz von effizienten Netzteilen Server Ventilatoren Adäquate Dimensionierung des Servers... 37

4 Server ausschalten Speichertechniken Effiziente Datenverwaltung Speichermedien Einsatz von intelligenten Switches Optimierung der Kühlung Kühlungsverfahren Kühlmedien Kühlgerätearten Analyse des Luftstroms Temperatur-Monitoring Warm- und Kaltganganordnung Einhausung von Kalt- und Warmgängen Aufbau des Doppelbodens Richtiger Aufbau des Racks Kühlen mit Flüssigkeit Kühlungssystem näher an den Servern installieren Anwendung von Freier Kühlung Dynamische Leistungsregelung Rücklufttemperatur Luftbefeuchter Stromversorgung Energie-Monitoring Effiziente Unterbrechungsfreie Stromversorgungen Schwungrad als Energiespeicher Effiziente Auslastung der USV Einspeisung von Gleichspannung Einsatz von intelligenten Steckdosenleisten im Rack Überdimensionierung der Stromgeneratoren vermeiden BÜROUMGEBUNG Nutzen der Energiesparfunktion Einsatz von Thin Clients Deaktivieren des Bildschirmschoners Beschaffung von IT-Equipment Verwenden von Multifunktionsgeräten Geräte vom Netz trennen Verwendung von intelligenten Switches Power-Management bei Drahtlosen Netzen Ausschalten von Telefon-Endgeräten... 97

5 Desk Sharing-Konzepte V. Weiteres Vorgehen VI. Bewertungsmatrix VII. Glossar VIII. Quellenverzeichnis

6 6 ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS CADE CFD CPU CRAC CRT CW DAS DCIE DX EU IDC ILM IP IT IKT LAN NAS PDU PUE RZ SAN SCSI TCO TCP TFT TÜV TWh USV VoIP Wh WLAN Corporate Average Data Efficiency Computational Fluid Dynamics Central Processing Unit (Hauptprozessor) Computer Room Air Conditioning (Präzisionsklimagerät) Cathode Ray Tube; Kathodenstrahlröhre Chilled Water; Klimaanlagen mit Kaltwasser Direct Attached Storage Datacenter Infrastructure Efficiency Direct Expansion; Klimaanlagen mit Kältemittel Europäischen Union International Data Corporation Information Lifecycle Management Internet Protocol Informationstechnologie Informations- und Kommunikationstechnik Local Area Network; Lokales Netzwerk Network Attached Storage Power Distribution Unit; Niederspannungshauptverteilung Power Usage Effectiveness Rechenzentrum Storage Area Network Small Computer System Interface Total Cost of Ownership Transmission Control Protocol Thin Film Transistor; Dünnschichttransistor Technischer Überwachungs-Verein Terawattstunde; 1 TWh = Wh Unterbrechungsfreie Stromversorgung Voice over IP Wattstunden Wireless Local Area Network

7 7 ABBILDUNGSVERZEICHNIS Abbildung 1: Beispielhafte Bewertung Abbildung 2: Motive von Unternehmen für die Investition in Green-IT. (Quelle: IDC) 16 Abbildung 3: Ziele und Nutzenbereiche von Green-IT Abbildung 4: Energieverbraucher im Rechenzentrum (Quelle: The Green Grid) Abbildung 5: Berechnung von CADE (Quelle: Uptime Institute) Abbildung 6: Stromverbrauchsanteile unterschiedlicher Komponenten in einem Rechenzentrum (Quelle: The Green Grid) Abbildung 7: Anwendungskonsolidierung Abbildung 8: Virtualisierung führt zur Reduzierung der eingesetzten Server-Hardware Abbildung 9: Typische Auslastung eines Servers über 24h Abbildung 10: Abhängigkeit des Wirkungsgrades in Abhängigkeit von der Last Abbildung 11: Aufbau der unterschiedlichen Speichersysteme DAS, NAS und SAN. 39 Abbildung 12: Anbindung des separaten Speichernetzwerks an das IP-Netz Abbildung 13: Funktionsweise einer Kompressionskälteanlage Abbildung 14: Funktionsweise einer Absorptionskälteanlage Abbildung 15: Funktionsweise einer sorptionsgestützten Klimatisierung Abbildung 16: Adsorptionsprozess Abbildung 17: Desorptionsprozess Abbildung 18: Funktionsweise einer Adsorptionskälteanlage Abbildung 19: Dampfstrahlverdichter und Verdampfer. Der Dampfstrahlverdichter erzeugt den notwendigen Unterdruck im Verdampfer Abbildung 20: Optimale Luftverteilung Luftfilterung mit Präzisionsklimageräten Abbildung 21: CFD-Modellierung (Quelle: IBM) Abbildung 22: Temperaturverteilung im Rechenzentrum mit Hot-Spots (Quelle: IBM) 61 Abbildung 23: Luftdurchfluss im Rack Abbildung 24: Anordnung Warmgang / Kaltgang Abbildung 25: Beispiel für Bypässe und Rezirkulation von Luft Abbildung 26: Positionierung der Kühlgeräte parallel zu den Racks bei Kalt- oder Warmgangeinhausung (vgl. Bitkom) Abbildung 27: Kaltgangeinhausung Abbildung 28: Abdichtung von Höheneinheiten im Rack Abbildung 29: Direkte Wasserkühlung des Prozessors (Quelle: IBM Zürich Research Laboratory) Abbildung 30: Direkte freie Kühlung Abbildung 31: Indirekte freie Kühlung mit Außenluft... 74

8 8 Abbildung 32: Indirekte freie Kühlung mit Erdsonden (Quelle: Weiss Klimatechnik GmbH) Abbildung 33: Energieverbraucher im Rechenzentrum Abbildung 34: Schematische Darstellung eines USV-Aufbaus Abbildung 35: Typische Wirkungsgradkurve einer USV Abbildung 36: Typische Verbrauchersituation an einer USV Abbildung 37: Verbesserung des Wirkungsgrads einer USV durch Energiemanagement Abbildung 38: Projektvorgehen Green-IT Abbildung 39: Bewertungsmatrix TABELLENVERZEICHNIS Tabelle 1: Einstufung von PUE und DCIE (Quelle: The Green Grid) Tabelle 2: Auslastung unterschiedlicher USV-Konfigurationen (vgl. Bitkom) Tabelle 3: Legende

9 9 MANAGEMENT SUMMARY Die Bundesverwaltung hat sich das Ziel gesetzt, den durch den IT-Betrieb verursachten Energieverbrauch um 40 % bezogen auf den Leistungsumfang im Jahr mit dem höchsten Verbrauch vor 2009 bis zum Jahr 2013 zu reduzieren. Dabei liegt der Fokus auf der Reduzierung des IT-Energieverbrauchs im Rechenzentrum und im Büroumfeld, wo die größten Einsparpotenziale liegen. Um den Energieverbrauch der IT in Deutschland zu senken kommt der Bundesverwaltung eine besondere Rolle zu. Zum einen hat sie einen bedeutenden Anteil am Gesamtenergieverbrauch zum anderen nimmt die öffentliche Hand eine besondere Vorbildfunktion für Unternehmen und Bürger ein. Vor diesem Hintergrund ist die Umsetzung einer Green-IT-Initiative in der Bundesverwaltung sehr wichtig. In dem vorliegenden Leitfaden werden unterschiedliche Maßnahmen zur Reduzierung des Energieverbrauchs im Rechenzentrum und im Büroumfeld beschrieben und untersucht. Zudem wurde eine generelle Bewertung der Maßnahmen hinsichtlich Nutzen und Umsetzbarkeit vorgenommen auf Basis von Analysen und Workshops. Diese Einordnung zeigt die Vielzahl an Möglichkeiten und verfügbaren Potenziale zur Energieeinsparung und damit für die Erreichung der Green-IT-Ziele der Bundesverwaltung. Für die Senkung des Energieverbrauchs wurden über 50 Maßnahmen in dem vorliegenden Leitfaden identifiziert und entsprechend der Bereiche Organisation, Rechenzentrum und Büro strukturiert. Jede Maßnahme wurde beschrieben und erläutert. Bei technisch komplexen Themen erweitern sogenannte Info-Boxen den jeweiligen Abschnitt und liefern dem Leser weitere Detailinformationen. Zusätzlich wurden die Maßnahmen entlang der Dimensionen Umsetzbarkeit und Nutzen bewertet, um möglichen Potenziale der Maßnahmen darzustellen. Die Bewertung erfolgte anhand von Expertengesprächen, wissenschaftlichen Untersuchungen und durch Erfahrungen aus der Praxis. Dabei wurde für den Nutzen der Beitrag der Maßnahme zur Reduktion des Gesamtenergieverbrauchs im Rechenzentrum bzw. an den Büroarbeitsplätze bewertet. Bei der Umsetzbarkeit waren vor allem die folgenden Faktoren entscheidend: finanzieller Aufwand, Zeit, organisatorischer Aufwand und technische Komplexität. Mit dem dargestellten Spektrum an Maßnahmen wird den Organisationen eine Vielzahl von Optionen zur Senkung des Energieverbrauchs offeriert, die die unterschiedlichen Möglichkeiten für die Umsetzung des IT-Ratsbeschlusses verdeutlichen. Eine Green-IT-Initiative beginnt nicht im Rechenzentrum oder der Büroumgebung, sondern erfasst die gesamte Organisation. Eine erfolgreiche Senkung des Energieverbrauchs in der Organisation ist eine ganzheitliche Aufgabe und muss daher von

10 10 der Leitung aus gesteuert, koordiniert und kontrolliert werden. Sie legt durch ihre strategischen Vorgaben den Grundstein für ein zielgerichtetes Vorgehen. Vor dem Beginn der Umsetzungsplanung sollte eine umfassende Standortbestimmung erfolgen, einschließlich der Erhebung des realen Energieverbrauchs der Behörde in den Rechenzentren und im Arbeitsplatzbereich. Die identifizierten Maßnahmen können anschließend strukturiert bewertet werden. Aufgrund der individuellen Ausgangssituation können die Bewertungen von Maßnahmen hinsichtlich des erwarteten Nutzens und Implementierungsaufwands durchaus unterschiedlich für verschiedene Organisationseinheiten ausfallen.

11 11 I. Einleitung Wie selten eine andere Technologie zuvor hat die Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT) unverkennbar die Arbeit in Behörden und Unternehmen beeinflusst. Sie durchdringt alle Bereiche der Organisationen und ist zweifellos ein starker Treiber für Effizienzsteigerungen. Allerdings steigt mit ihrer Verbreitung auch immer weiter ihr Anteil am Energieverbrauch einer Organisation. Laut einer Studie des Fraunhofer IZM verbraucht die Informations- und Kommunikationstechnologie in Deutschland insgesamt gegenwärtig 55 TWh, was ca. 10 Prozent des deutschen Stromverbrauchs entspricht. Diese Entwicklung scheint sich gegenwärtig fortzusetzen, so dass der Stromverbrauch bis zum Jahr 2020 um mehr als 20 Prozent zu steigen droht. Vor diesem Hintergrund hat der Rat der IT-Beauftragten am die Green-IT- Ziele für die Bundesverwaltung beschlossen, um die Weichen für eine grüne Verwaltung zu stellen. Demnach soll der durch den IT-Betrieb verursachte Energieverbrauch um 40 % bezogen auf den Leistungsumfang im Jahr mit dem höchsten Verbrauch vor 2009 bis zum Jahr 2013 reduziert werden. Dabei wurde gezielt der Fokus auf die zwei Bereiche Rechenzentrum und Büroarbeitsplätze gelegt, in denen die größten Einsparpotenziale liegen. Die Behörden stellen sich der Herausforderung, bei den steigenden Anforderungen an die IT und dem gleichzeitigen Ziel zur Verringerung des Energieverbrauchs neue Wege und Konzepte zu entwickeln, um die Verwaltung sicher in die Zukunft zu führen. Bei einem Rechenzentrum denken viele in erster Linie nur an Server, die den IT- Betrieb von verschiedenen Organisationen sichern. Da liegt der Gedanke nahe, dass diese der eigentliche Hauptstromverbraucher im Rechenzentrum sind. Das ist aber nur selten der Fall. Dies liegt daran, dass die von Servern, Speichersystemen und Netzwerkkomponenten verbrauchte elektrische Energie in Wärme umgewandelt und an die Umgebungsluft des Rechenzentrums abgegeben wird. Selbst bei der Nutzung von nur wenigen Servern würden nach kurzer Zeit die Umgebung und die Hardware so hohe Temperaturen erreichen, dass die Geräte nicht ohne Kompensierung dieser Wärme betriebsfähig wären. Daher sollte es ein primäres Ziel sein, die Wärme schon bei der Entstehung zu minimieren. Weiterhin ist dafür Sorge zu tragen, dass die entstandene Wärme möglichst effizient kompensiert wird. Bei der Anwendung von konventionellen Methoden zur Kompensierung der Wärme ist die für die Kühlung verbrauchte Energie meist höher als die vom IT-Equipment verbrauchte Energie. Somit zählt das Kühlungssystem neben dem IT-Equipment zu den wesentlichen Energieverbrauchern.

12 12 Im Büro sind die Computer der Treiber für den Energieverbrauch. Aber auch die Peripheriegeräte, wie z. B. Monitore, Drucker, Scanner oder Faxgeräte sollten nicht außer Betracht gelassen werden. Durch ihren konstanten Verbrauch unter anderem im Standby tragen sie maßgeblich zum Energieverbrauch im Büro bei. Hier sind neben energieeffizienten Computern und Peripheriegeräten auch moderne Nutzungskonzepte und die Schulung der Mitarbeiter eine tragende Säule zur Reduzierung des Stromverbrauchs. Der vorliegende Leitfaden fasst daher die wichtigsten Maßnahmen zur Reduzierung des IT-Stromverbrauchs im Rechenzentrum und im Büro zusammen. Mit der Darstellung vorhandener Technologien soll gezeigt werden, dass das Ziel der Bundesregierung zur Einsparung von 40 % keine Illusion ist. Daneben wird eine Reihe von organisatorischen Maßnahmen beschrieben, die zwar nicht direkt den Energieverbrauch senken, aber die Umsetzung von Green IT in Organisationen begünstigt. Bei der Erstellung des Leitfadens wurde der Anspruch verfolgt, eine breite Auswahl von Möglichkeiten zur Reduktion des Stromverbrauchs zu identifizieren und zu beschreiben. Die Bewertung der Maßnahmen soll einen Richtwert zur Einsparung und zur Umsetzbarkeit darstellen, der in Abhängigkeit von der gegebenen Situation in der Organisation abweichen kann.

13 13 II. Adressatenkreis Der vorliegende Leitfaden deckt ein breites Spektrum an Themen aus dem Bereich Green-IT sowohl im Rechenzentrum als auch im Büroumfeld ab. Daher werden in der Regel nicht alle Themenbereiche für jeden Leser von gleichem Interesse sein. Nachfolgend werden für die einzelnen Kapitel die primär adressierten Interessengruppen aufgelistet: Organisatorische Maßnahmen: Mitarbeiter mit Leitungsfunktion Rechenzentrum: Mitarbeiter des Rechenzentrumsbetriebs, des IT-Betriebs und der Haustechnik Büroumgebung: Mitarbeiter des IT-Betriebs Weiteres Vorgehen: Mitarbeiter mit Leitungsfunktion Bewertungsmatrix: Mitarbeiter mit Leitungsfunktion Im ersten Kapitel Organisatorische Maßnahmen liegt der Fokus auf dem Aufbau der administrativen Basis zur Definition, Planung, Steuerung und Prüfung von zielgerichteten Aktivitäten für die Reduktion des Energieverbrauchs. Daher ist dieser Abschnitt vor allem für Personen auf der Führungsebene und mit leitenden Aufgaben wichtig. Das nachfolgende Kapitel Rechenzentrum mit seinen Unterkapiteln IT-Equipment, Optimierung der Kühlung und Stromversorgung zeigt die vielfältigen Möglichkeiten zur Senkung des Energieverbrauchs im Rechenzentrum und soll vor allem die planenden und operativ tätigen Mitarbeiter im Rechenzentrum ansprechen. Das letzte fachliche Kapitel Büroumgebung zeigt das Einsparpotential am Arbeitsplatz und richtet sowohl an die IT-Abteilungen in den Behörden, als auch an die Mitarbeiter in der Organisation, da ein Großteil des Erfolgs der Maßnahmen nur durch die aktive Teilnahme der Angestellten realisiert werden kann. Mit dem Kapitel Weiteres Vorgehen soll den planenden und leitenden Mitarbeitern in den Behörden ein generelles Vorgehen zur Senkung des Energieverbrauchs dargestellt werden. Das abschließende Kapitel Bewertungsmatrix richtet sich nochmals an alle Leser. Darin werden die vorab durchgeführten Bewertungen der einzelnen Maßnahmen in einer Matrix dargestellt und einen schnellen Überblick über alle Maßnahmen.

14 14 III. Bewertungsansatz In den nachfolgenden Kapiteln werden verschiedene Maßnahmen zur Reduktion des Energieverbrauchs beschrieben. Dabei folgt nach jeder Maßnahmenbeschreibung eine allgemeine Bewertung der Maßnahme anhand von zwei Dimensionen: Nutzen und Umsetzbarkeit (siehe Abbildung 1). Diese Einordnung soll dem interessierten Leser einen Überblick über die möglichen Potenziale und dem zu erwartenden Aufwand geben, damit er eine erste Vorauswahl der für ihn relevanten Maßnahmen vornehmen kann. Allerdings ersetzt die Bewertung keine detaillierte Analyse durch Experten, da der Nutzen und die Umsetzbarkeit sehr stark von den Gegebenheiten, Umweltbedingungen und der bestehenden Infrastruktur der betroffenen Organisation beeinflusst wird. Insbesondere die Wechselwirkungen zwischen einzelnen Maßnahmen lassen sich nur sehr ungenau pauschal bestimmen abhängig von den Gegebenheiten können sich Maßnahmen entweder ergänzen und verstärken oder aber eine gegensätzliche Wirkung entfalten. Somit ist die Bewertung der Maßnahme als erste Indikation zu verstehen. Nutzen Umsetzbarkeit Niedrig Hoch Einfach Schwierig Abbildung 1: Beispielhafte Bewertung Die Bewertung erfolgte anhand von Expertengesprächen, wissenschaftlichen Untersuchungen und durch Erfahrungen aus der Praxis. Dabei wurde für den Nutzen der Beitrag der Maßnahme zur Reduktion des Gesamtenergieverbrauchs im Rechenzentrum bzw. Büros bewertet. Bei der Umsetzbarkeit waren vor allem die folgenden Faktoren entscheidend: finanzieller Aufwand, Zeit, organisatorischer Aufwand und technische Komplexität. Alle in diesem Leitfaden durchgeführten Bewertungen werden im Kapitel VI in Form einer Matrix zusammengefasst. Dabei werden die beschriebenen und bewerteten Maßnahmen in Abhängigkeit von ihrem Nutzen und Umsetzbarkeit dargestellt. Dies soll den IT-Verantwortlichen einen abschließenden Überblick über alle bewerteten Maßnahmen geben, damit diese schnell eine generelle Identifizierung von möglichen Quick Wins und Maßnahmen für eine langfristige Strategie durchführen können.

15 15 IV. Maßnahmen Dieser Abschnitt umfasst den Kern des vorliegenden Leitfadens, in dem organisatorische und technische Möglichkeiten zur Reduktion des IT-Energieverbrauchs in Organisationen als Maßnahmen beschrieben werden. Das erste Teilkapitel Organisatorische Maßnahmen befasst sich mit dem Aufbau der administrativen Basis zur Definition, Planung, Steuerung und Prüfung von zielgerichteten Aktivitäten für die Reduktion des Energieverbrauchs. Die vielseitigen Möglichkeiten zur Senkung des Verbrauchs in einem Rechenzentrum werden im zweiten Teilkapitel Rechenzentren vorgestellt, das wiederum in die Unterkapitel IT-Equipment, Optimierung der Kühlung und Stromversorgung strukturiert ist. Das dritte und letzte Teilkapitel Büroumgebung schlägt entsprechende Lösungen für das Büro vor. Die Handlungsempfehlungen im zweiten und dritten Unterkapitel enthalten eine Bewertung entsprechend dem in Kapitel III vorgestellten Verfahren. Die Maßnahmen im ersten Unterkapitel Organisatorische Maßnahmen sind nicht bewertet, da sie nur indirekt wirken. Neben der Bewertung enthalten bestimmte Abschnitte im zweiten und dritten Unterkapitel noch sogenannte Info-Boxen, die technische Details oder Zusammenhänge weiter verdeutlichen. Diese sind für den interessierten Leser gedacht. Aber auch ohne dieses Hintergrundwissen können die Texte weiterer gelesen und verstanden werden. 1. Organisatorische Maßnahmen Der wachsende Energieverbrauch von IT-Komponenten, die kontinuierlich steigenden Anforderungen an Rechenleistung, die zunehmende Durchdringung der Organisationen in allen Bereichen der IT, die steigende Sensibilisierung der Kunden für ökologische Aspekte sowie die immer kürzer werdenden Lebenszyklen von Technologien und IT-Produkten lassen das Thema Green-IT nicht nur in den Fokus der Öffentlichkeit rücken. Sie zeigen vor allem, dass eine Organisation nur durch eine ganzheitliche, von der Führung ausgehende Steuerung von Maßnahmen den Herausforderungen gewachsen ist. Daher werden nachfolgend einige Voraussetzungen, Maßnahmen und Strategien im Organisatorischen Bereich vorgestellt. 1.1 Entwicklung einer Green-IT-Strategie Ausgangspunkt einer jeden Green-IT-Initiative in einer Organisation bildet die Strategie. In der Strategie sollten die Hauptmotive detailliert beschrieben werden: Einhaltung von Vorgaben, Effizienzsteigerung und Kommunikation. Mit der Verabschiedung der

16 16 Strategie unterstreicht die Leitung die Wichtigkeit und Gültigkeit für die gesamte Organisation. Zusammen mit einer umfassenden Ist-Analyse in den Bereichen Rechenzentrum und Büroumfeld werden weiterhin die Handlungsfelder identifiziert. Das wichtigste Motiv ist in der Regel die Effizienzsteigerung. Laut einer Umfrage des IDC (siehe Abbildung 2) wollen 70 Prozent der befragten Unternehmen in Deutschland in erster Linie die vorhandenen Kosteneinsparpotenziale nutzen. Durch geringeren Elektrizitäts- und Materialverbrauch können Organisationen ihre Kosten erheblich reduzieren. Ein weiteres Motiv ist die Einhaltung von Vorgaben, die von unterschiedlichen Stellen an die Organisation herangetragen werden. Vor allem sind in diesem Zusammenhang die Standardisierungsorganisationen zu nennen. Aber auch andere Beteiligte, wie z.b. die EU oder der TÜV, können Richtlinien und Empfehlungen machen, die eingehalten werden sollten. Daneben gibt es aber auch ungeschriebene Vorgaben, die von der Öffentlichkeit gefordert werden, z.b. Klimaschutz. Auch diese sind zu beachten. Das dritte Motiv der Kommunikation soll in der Wirtschaft üblicherweise zum einen das Bild der Organisation in der Öffentlichkeit verbessern und damit für eine positive Wahrnehmung der Dienstleistungen und Produkte sorgen. In der öffentlichen Verwaltung kommen der Kommunikation weitere wichtige Funktionen zu: Die Verwaltung besetzt eine Vorbildfunktion und Vorreiterrolle in diesem Thema und kann eine Hebelwirkung entfalten. Weiterhin spielt eine positive Organisationsdarstellung eine wichtige Rolle, z.b. bei der Gewinnung von IT-Fachkräften. Das Bild eines verantwortungsbewussten Arbeitgebers gegenüber Mitarbeitern und Umwelt kann ein wichtiges Alleinstellungsmerkmal sein (siehe Abbildung 3). Kosteneinsparungen 70% 16% 14% Energieverbrauch auf wirtschaftliches Maß senken 69% 16% 15% Attraktiver Arbeitgeber 58% 28% 14% Recycling 58% 28% 14% Einhaltung gesetzlicher Vorschriften 58% 29% 13% Geschäftsleitung 53% 26% 21% Unternehmerische Sozialverantwortung 50% 25% 25% Mitarbeiter verlangen umweltfreundliche Lösung 49% 28% 23% Erwartungen von Kunden 48% 34% 18% Transparenz bei Umgang mit CO2/Markenimage 46% 29% 25% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Wichtig Neutral Nicht wichtig Abbildung 2: Motive von Unternehmen für die Investition in Green-IT. (Quelle: IDC)

17 17 Bei der Entwicklung der Strategie können Best Practices (wie in diesem Leitfaden beschrieben) herangezogen werden. Durch deren Vergleich mit der aktuellen Situation in der Organisation können zielgerichtet notwendige Maßnahmen abgeleitet werden. Anschließend müssen die Maßnahmen entsprechend der Strategie priorisiert und umgesetzt werden. Standards, Regularien, Richtlinien Büroumgebung Dezentrale Serverräume Öffentlichkeit Green IT Rechenzentrum Image Mitarbeiter Kunden Abbildung 3: Ziele und Nutzenbereiche von Green-IT 1.2 Organisatorische Konsolidierung Eine organisatorische Konsolidierung der Einheiten der IT-Leistungserbringung geht im Regelfall zumindest teilweise mit einer Zentralisierung der Infrastrukturen einher. Der Einsatz zentraler Mechanismen der IT-Steuerung und Infrastrukturen sind dabei nicht gleichbedeutend mit einer Reduzierung der dezentralen Standorte oder Mitarbeiter des IT-Betriebs. Bei Einsatz moderner Technologien ist eine Präsenz der Mitarbeiter am Standort der Infrastrukturen nur noch in Ausnahmefällen notwendig. Die Zentralisierung von IT-Steuerung und IT-Infrastrukturen bringt für die Organisationen unter anderem die Vorteile: Reduzierung von Kosten durch bessere Effizienz und Auslastung der Anlagen Strategische Vorteile o Höherer Grad an Standardisierung o Besseres Know-how-Management

18 18 o Harmonisierung von Prozessen o Harmonisierung von Technologien Beschleunigte Serviceerstellung Aus diesen Vorteilen wird ersichtlich, dass die Konsolidierung einen sehr großen Beitrag zur Steigerung der Energieeffizienz leisten kann. Der sich ergebende Nutzen aus einer organisatorischen Konsolidierung zwecks Steigerung der Energieeffizienz ist sehr vielfältig. Daher werden nachfolgend nur einige Beispiele aufgelistet, um dies zu verdeutlichen: Die Zusammenführung der IT mit der Reduzierung von Redundanzen führt zu einer besseren Auslastung der Rechenzentren. Viele Investitionen zur Reduktion des Energieverbrauchs sind erst ab einer bestimmten Größe des Rechenzentrums wirtschaftlich sinnvoll. Bei einer Konsolidierung der IT-Infrastrukturen kann somit das Spektrum der umsetzbaren Maßnahmen vergrößert werden. Die Harmonisierung von Prozessen und Technologien erlaubt eine Homogenisierung der Serverlandschaft, was Vorteile für die Verbesserung der Energieeffizienz im Rechenzentrum mit sich bringt. Geringere Kosten schaffen Raum für die Investition in neue Technologien zum Energiesparen. Durch die Konsolidierung wird die Auslastung der einzelnen Server erhöht. Bei der Zusammenlegung der Speicher aus den unterschiedlichen Rechenzentren werden unnötig hohe Speichervolumen abgebaut. Aus den oben beschriebenen Beispielen wird deutlich, dass durch die organisatorische Konsolidierung viele Möglichkeiten der Reduktion des Energieverbrauchs, die in den nachfolgenden Kapiteln beschrieben werden, implizit mit umgesetzt werden. Somit kann die Konsolidierung auf dieser Ebene die größten Energieeinsparungen ermöglichen. Die Höhe der Einsparungen ist unter anderem sehr stark von der Größe der Organisation, der Nutzung der IT und dem Grad der Konsolidierung abhängig.

19 Green-IT-Beauftragter In vielen Organisationen ist die Schnittstelle zwischen IT und Umwelt nicht besetzt. Hier sollte ein Green-IT-Beauftragter etabliert werden. Dieser muss spezielles Fachwissen sowohl in den Bereichen Umwelt als auch Technik aufweisen, um zu allen Aspekten aus dem Umfeld von Green-IT antworten zu können. Um die sowohl auf der strategischen als auch operativen Ebene vorhandenen Nutzungspotentiale auszuschöpfen, sollte der Green-IT-Beauftragte organisatorisch zwischen diesen Ebenen eingegliedert werden. Eine weitere Möglichkeit ist, die Rolle des Green-IT- Beauftragten durch den Umweltbeauftragten, der bereits in vielen Organisationen etabliert ist, übernehmen zu lassen. Der Green-IT-Beauftragte kann dann z.b. bei Fragen der Beschaffung oder der Planung von Maßnahmen im Rechenzentrum und am Arbeitsplatz beratend hinzugezogen werden. 1.4 Eingliederung im Managementsystem In vielen Organisationen sind bereits Umwelt- und Informationsmanagementsysteme und andere Standards und Best Practices zum Steuern und Kontrollieren von Umweltbestrebungen in der Organisation etabliert. Daher ist es erforderlich, dass die Green-IT-Initiative mit diesen harmonisieren wird, damit die Integration in die bestehenden Managementsysteme erleichtert und das bereits vorhandene Wissen genutzt werden kann. Die Organisationen besitzen in der Regel schon Umweltbeauftragte, haben definierte Umweltziele und überprüfen diese in internen Audits. Ohne eine Integration von Green-IT in die Managementkonzepte entsteht ein vermeidbarer zusätzlicher administrativer Aufwand. Daher sollten die bestehenden Management- und Kennzahlensysteme um aussagekräftigen und verbindlichen Standards und Kennzahlen erweitert werden, damit die Organisation ihre Leistungen transparent umsetzen und messen kann. 1.5 Ausweisen von Kosten Um die Abteilungen in den Organisationen für die Kosten für ihre IT und den Energieverbrauch zu sensibilisieren und das Potenzial in diesem Bereich aufzuzeigen, sollten diese Kosten separat ausgewiesen werden. Daher ist es empfehlenswert, dass alle IT-Leistungen gesondert verrechnet werden. Dies unterstützt auch die Dokumentation der unterschiedlichen Leistungen und betriebenen Verfahren in einem Rechenzentrum und erleichtert das Controlling.

20 20 Durch das Wissen über die unterschiedlichen Kostenverursacher wird eine Kosten- Nutzen-Analyse der verschiedenen Maßnahmen erleichtert. Des Weiteren kann eine Priorisierung entsprechend der Kosten vorgenommen werden. Dies vereinfacht auch die Argumentation für die Investition in teure Maßnahmen. 1.6 Energie-Monitoring Viele Organisationen wissen nicht, welchen Anteil ihre IT am Energieverbrauch hat und damit ist ihnen auch nicht klar, welche Energiekosten durch die IT entstehen. Dabei ist das Wissen über den Energieverbrauch die Grundlage für eine zielführende Planung, um den Energieverbrauch signifikant zu senken frei nach dem Motto: Nur was ich objektiv messen kann, kann ich auch verbessern!. Durch das Messen der Energieverbrauchs der unterschiedlichen Verbraucher (siehe Kapitel 2.3.1) ergeben sich nicht nur Vorteile bei der Planung, sondern es wird auch Basis für das Steuern und Optimieren von Anlagen und Geräten der Stromversorgung gelegt. Neben der Erfassung des Energieverbrauchs ist auch das Temperatur-Monitoring in den Rechenzentren ein mächtiges Werkzeug. Es bildet die Grundlage für viele Energieeinsparungsmaßnahmen, wie z.b. dynamische Steuerung der Klimaanlagen, Beseitigung von Hotspots oder die Optimierung des Luftflusses (siehe Kapitel 2.2). Somit ist die Grundlage für eine Green-IT-Initiative das Monitoring von unterschiedlichen Messgrößen (z.b. Energie, Temperatur) in den unterschiedlichen Bereichen. Die Handreichung Durchführung von Energieverbrauchsmessungen in der Bundesverwaltung des IT-Rates beschreibt Energieverbrauchsmessungen für die kritischen Messgrößen sowohl in der Büroumgebung als auch im Rechenzentrum. Die Erstellung einer Energiebilanz hilft Handlungsfelder zu identifizieren und eine Roadmap zu erstellen. Mit Hilfe des erfassten Energieverbrauchs in den unterschiedlichen Bereichen lassen sich Kennzahlen ermitteln, z.b. im Rechenzentrum Power Usage Effectiveness (siehe Kapitel 1.7), die es der Organisationen erlauben sich mit anderen Organisationen zu vergleichen und Potenziale zu identifizieren. 1.7 Aufstellung von Metriken Um den aktuellen Stand der Organisation und die Entwicklung zu quantifizieren, müssen Metriken in die bestehenden Kennzahlensysteme integriert werden. Mit diesen Werten kann zum einen der Fortschritt der Umweltbemühungen in der IT verfolgt und zum anderen mit anderen Organisationen verglichen werden. Durch die Kontrollen lassen sich Ziellücken erkennen und Handlungsfelder aufzeigen.

21 21 Viele Maßnahmen, die im Rahmen von Green-IT genannt werden, zielen auf eine Verbesserung der Energieeffizienz im Rechenzentrum ab. Daher sind in diesem Bereich auch die meisten Kennzahlen im Bereich Green-IT etabliert. Allerdings kann keine der bisher bekannten Kennzahlen allen Gegebenheiten gerecht werden. So werden unter anderem die äußeren klimatischen Bedingungen, die Auslastung des Rechenzentrums, weitere Verwendung von Abwärme, usw. nicht berücksichtigt. Genauso gibt es keine genauen Vorgaben für die Erhebung von Messwerten, z.b. der Temperatur im Rechenzentrum. Nachfolgend werden zwei der am weitest verbreiteten Kennzahlen im Rechenzentrum vorgestellt. Power Usage Effectiveness und Data Center Infrastructure Efficiency Um die Effizienz des Energieeinsatzes im Rechenzentrum zu ermitteln, hat The Green Grid, ein internationales Konsortium von IT-Unternehmen und Fachleute, die nach Möglichkeiten zur Verbesserung der Energieeffizienz in Rechenzentren suchen, die Power Usage Effectiveness (PUE) entwickelt. Die PUE ist das Verhältnis des Gesamtenergieverbrauchs zum Energieverbrauch der IT. Damit kann das Verhältnis von der dem Rechenzentrum zugeführten Energie zu der durch die IT-Komponenten (Server, Speicher, Netztechnik) verbrauchten Energie gemessen werden. Energieeffiziente Rechenzentren haben eine PUE unter 1,5. Das bedeutet, dass für jedes Watt, dass von der IT verbraucht wird, zusätzlich 0,5 Watt für Kühlung, Klimatisierung, USV usw. verbraucht werden. Effizienz des Energieeinsatzes (PUE) ENERGIE- VERSORGUNG ENERGIE GESAMTENERGIE- VERBRAUCH Energie Schaltanlage USV Absicherung der Stromversorgung ENERGIE ENERGIE-VERBRAUCH DER IT Server Speicher Netztechnik Kühlung Kältekompressor Präzisionsklimageräte PUE = Gesamtenergieverbrauch / Energieverbrauch des IT-Equipment Abbildung 4: Energieverbraucher im Rechenzentrum (Quelle: The Green Grid)

22 22 Die Kennzahl Data Center Infrastructure Efficiency (DCIE) gibt die Effizienz des Rechenzentrums in Prozent an. DCIE ist der Kehrwert von PUE und berechnet sich somit: PUE = Gesamtenergieverbrauch der Einrichtung / Energieverbrauch des IT- DCIE = 1 / PUE x 100 % Equipment Power Die nachfolgende Tabelle 1 gibt einen Überblick über die Einstufung der Werte PUE und DCIE. PUE DCIE Effizienzlevel 3,0 33 % Sehr ineffizient 2,5 40 % Ineffizient 2,0 50 % Durchschnittlich 1,5 67 % Effizient 1,2 83 % Sehr Effizient Tabelle 1: Einstufung von PUE und DCIE (Quelle: The Green Grid) Ein wesentliches Problem bei der Bestimmung dieser Kennzahl liegt in der mangelnden Vereinheitlichung der Methodik zur Erhebung der Daten. Aus diesem Grund sind die erhobenen Kennzahlen nur bedingt für einen Vergleich verschiedener Rechenzentren geeignet. Corporate Average Data Efficiency Die Kennzahl Corporate Average Data Efficiency (CADE), die vom Uptime Institute entwickelt wurde, gibt die Effizienz des Rechenzentrums in Prozent an. Je höher das Ergebnis ist, desto energieeffizienter ist das Rechenzentrum. Dabei deutet ein hoher CADE-Wert auf ein energieeffizientes Rechenzentrum. Desweitern soll mit der Metrik eine Vergleichbarkeit des Energieverbrauchs von Rechenzentren ermöglichen. CADE setzt sich aus vier Komponenten zusammen: Auslastung der Anlage (Facility Utilization %): Auslastung der aktuellen genutzten IT (Server, Speicher, Netzwerk, Equipment) durch die zur Verfügung stehende Kapazität der Anlage. ([Gegenwärtige IT-Last] / [Maximale IT-Last Kapazität])

23 23 Energieeffizienz der Anlage (Facility Energy Efficiency %): Gibt an wie viel der in das Rechenzentrum eingespeisten Energie wirklich von der IT verbraucht wird, d.h. das Verhältnis des Energieverbrauchs der IT zum Gesamtenergieverbrauch (IT, Klimaanlage, USV, Innenbeleuchtung usw.) bzw. 1/PUE. ([Gegenwärtige IT-Last] / [Gesamtenergieverbrauch der Anlage]) IT-Auslastung (IT Utilization): IT-Auslastung ist die durchschnittliche Auslastung der CPUs der Server. ([Durchschnittliche Auslastung der CPUs der Volumen-Server]) Energieeffizienz der IT (IT Energy Efficiency): Energieeffizienz der IT gibt an, wie effektiv das IT-Equipment des Rechenzentrums die Energie in Brauchbare IT-Leistung transformiert. (Da die industrieweite Definition für die brauchbare IT-Leistung noch in Entwicklung ist, verwendet CADE einen beliebigen Baseline-Wert von 5 % für IT-Energieeffizienz). Aus der Multiplikation der Auslastung und Energieeffizienz der Anlage wird die Effizienz der Anlage (Facility Efficiency) berechnet. Die Multiplikation der Auslastung und Energieeffizienz der IT liefert die Effizienz der IT. Aus den beiden berechneten Werten kann abschließend der CADE-Wert durch Multiplikation ermittelt werden (siehe Abbildung 5). Energieeffizienz der Anlage, % Auslastung der Anlage, % x Effizienz der Anlage x RZ-Effizienz (CADE) Energieeffizienz der IT, % x Effizienz der IT IT-Auslastung, % Abbildung 5: Berechnung von CADE (Quelle: Uptime Institute) Angenommen ein Rechenzentrum hat eine gegenwärtige IT-Last von kw und eine maximale IT-Last Kapazität von kw. Dann ergibt sich hieraus eine Auslastung der Anlage von 48 %. Bei einem Gesamtenergieverbrauch des Rechenzentrums von kw ergibt sich zusammen mit Gegenwärtige IT-Last eine Energieeffizienz der Anlage von 75 %. Mit Hilfe der beiden berechneten Werte ergibt sich eine Effizienz der Anlage von 36 %.

24 24 Für die IT-Energieeffizienz wird 5 % angenommen und die durchschnittliche Auslastung der CPUs der Volumen-Server beträgt 40 %. Damit ergibt sich eine Effizienz der IT von 2 % und zusammen mit der Effizienz der Anlage ein CADE-Wert von 0,72 %. Ein wesentliches Problem bei der Bestimmung dieser Kennzahl liegt in der mangelnden Vereinheitlichung der Methodik zur Erhebung der Daten. Aus diesem Grund sind die erhobenen Kennzahlen nur bedingt für einen Vergleich verschiedener Rechenzentren geeignet. 1.8 Beschaffung Vor einigen Jahren spielte der Energieverbrauch bei der Beschaffung von neuer IT- Hardware, z.b. von Servern, PC oder Druckern, noch keine tragende Rolle. Entscheidungskriterium waren vor allem die Anschaffungskosten. Dies hat sich in den letzten Jahren immer mehr gewandelt. Die Treiber hierfür sind die zunehmend steigenden Kosten für Energie und Engpässe, die bei der Versorgung von Rechenzentren auftreten können. Bei der Reduzierung des Energieverbrauchs durch die IT-Hardware lassen sich direkt Energiekosten einsparen. Im Rechenzentrum ergeben sich durch die geringere installierte IT-Last auch Einsparungen bei den Versorgungsanlagen, wie z.b. Kühlung, Klimatisierung, USV usw. Somit kann im Rechenzentrum gleich zweimal gespart werden. Bei der Beschaffung von neuem IT-Equipment, Anlagen und Geräten sollten daher nicht nur die reinen Investitionskosten betrachtet werden, sondern die Kosten über den gesamten Lebenszyklus inklusive der zu erwartenden Energiekosten. Für Equipment mit einer langen Laufzeit und besonders hohen Energieverbräuchen sollte eine frühzeitige Ablösung geprüft werden. Diese Vorgaben sind zusammen mit anderen ökologischen Aspekten (Recycling, toxische Materialien, ) in der Beschaffungsrichtlinie festzuhalten. Auch bei der Ausschreibung und Beschaffung von neuer Software sollte überlegt werden, ob Anforderungen hinsichtlich der Energieeinsparung formuliert werden können. Z. B. Vermeidung von Datenredundanz, Unterstützung einer Architektur zum Einsatz von Thin Clients (siehe Kapitel 3.2) und Optimierung vom Hauptspeicherbedarf bei gleichzeitiger Minimierung von Input / Output-Zugriffe (wie auf File-System oder Netz). Bei der Beschaffung von IT-Hardware sollte auf Kennzeichnungen bzw. Zertifizierungen wie Energy Star oder Blauen Engel geachtet werden. Auch bei dem Bezug von Dienstleistungen und der Zusammenarbeit mit Lieferanten sollten bei der Auswahl der Partner Zertifizierungen berücksichtigt werden. Oft kommen ökologische Aspekte bei der Beschaffung nur mangelhaft zum Tragen, weil die Wissensträger nicht richtig bzw.

25 25 überhaupt nicht in den Prozess eingebunden wurden. Um dies zu vermeiden sollte der Green-IT-Beauftragte (siehe Kapitel 1.3) frühzeitig in den Prozess der Erstellung der Beschaffungskriterien mit eingebunden werden. 1.9 Kommunikationsplan Trotz großer Einsparpotenziale im Büro scheuen Organisationen die Umsetzung von Maßnahmen in diesem Bereich. Ein Grund hierfür ist, dass die Aktivitäten Auswirkungen auf die Arbeitsweise und die gewohnten Prozesse (z. B. durch die Abschaffung von Arbeitsplatzdruckern) der Mitarbeiter haben und die Organisationen Angst vor einer Verschlechterung des Betriebsklimas haben. Daher muss die interne Kommunikation auf die geplanten Maßnahmen aufmerksam machen und den Mitarbeitern deren Bedeutung und den Wert für die Organisationen darstellen. Den Mitarbeitern muss vermittelt werden, dass sie durch ihr Mitwirken aktiv an der Steigerung der Effizienz und zur Senkung der Kosten beitragen. Obwohl viele neue Arbeitspraktiken am Anfang ungewöhnlich erscheinen, werden sie in der Regel schnell in den täglichen Arbeitsablauf übernommen und werden nicht mehr als Belastungen wahrgenommen. Dies muss an die Mitarbeiter kommuniziert werden, z. B. mit Hilfen von Beispielen aus der Vergangenheit. Daher sollte frühzeitig ein Kommunikationsplan erstellt werden. Mit Hilfe des Kommunikationsplans müssen die Absichten und die Fortschritte zur Energieeinsparung sowohl nach innen als auch nach außen kommuniziert werden. Außerdem muss das Bekenntnis der Leitung zu einer Nachhaltigkeitsausrichtung der IT an jeden kommuniziert werden. Ein starker Kommunikationsplan fördert die Einbindung und das Engagement der Mitarbeiter und verbessert die Wahrnehmung in der Öffentlichkeit. Die Mitarbeiter sind nicht nur für die Umsetzung verantwortlich, sondern können auch wichtige Informationen und Ideen liefern, die zur Optimierung oder Entwicklung von Maßnahmen führen. Aus diesen Gründen sollte der Plan eine Vielzahl von internen und externen Marketing-Techniken umfassen Engagement bei Initiativen Verschiedene Institutionen arbeiten an der Erstellung von Standards und Empfehlungen im Bereich Green-IT, die unter Umständen zu verbindlichen Richtlinien werden können. Diese Vorgaben können Einfluss auf die Arbeit in Organisationen haben. Es ist empfehlenswert, dass sich die Organisationen bei unterschiedlichen Institutionen engagieren. Auf diese Weise kann einerseits auf die Entwicklung von Standards Einfluss genommen und sichergestellt werden, dass eigene Interessen bei der Erarbeitung des Standards mitberücksichtigt werden. Andererseits erhalten die Organisatio-

26 26 nen Informationen über aktuelle Entwicklungen und Best Practices, die sie bei sich umsetzen können. Daher sollten sich Behörden und Unternehmen in ein oder mehrerer Initiativen einbringen. In Deutschland ist vor allem der Bundesverband Informationswirtschaft, Telekommunikation und neue Medien e.v. (BITKOM) zu nennen, der schon unterschiedliche Studien und Leitfäden zu dem Thema Green-IT veröffentlicht hat. International sind u. a. The Green Grid, Uptime Institute, Carbon Disclosure Project, Global Reporting Initiative, The Global Compact oder Climate Savers zu nennen Einbindung von IT-Verfahren Bei der Planung einer Green-IT-Strategie liegt der Fokus von Behörden und Unternehmen oft allein auf Hardware und Anlagen (Klimaanlagen, USV usw.). Dabei ist es möglich, den Energieverbrauch auch für die Erbringung von einzelnen IT-Verfahren zu ermitteln. Diese können wichtige Erkenntnisse zur Effizienzsteigerung liefern. Daher ist eine ganzheitliche Sicht auf die IT in der Organisation hilfreich. Durch die Optimierung von IT-Verfahren lässt sich in der Regel der Energieverbrauch der IT oft schon in der Entstehung reduzieren. Daher sind bei der Aufnahme des aktuellen Zustands der Organisation die Prozesse zu erfassen und zu analysieren. Darüber hinaus bringt die Angabe des Energieverbrauchs für die unterschiedlichen IT-Verfahren mehr Transparenz auf der Seite der Nutzer. Aus diesem Blickwinkel sollten alle IT-Dienstleistungszentrum den Verbrauch für die von ihnen angebotenen Services ausweisen Schulung von Mitarbeitern Neben einem Kommunikationsplan (siehe Kapitel 1.9), der die Mitarbeiter mit allen wichtigen Informationen über das Umweltengagement der Organisation versorgt, ist ein Schulungskonzept für die Mitarbeiter erforderlich. Ohne die Mitarbeiter, die die Maßnahmen umsetzten, kann das Green-IT-Engagement nicht zum Erfolg führen. Daher sollten schon bei der Planung der Maßnahmen passende Aktivitäten zur Schulung und Einführung der Mitarbeiter berücksichtigt werden. Die Schulungen sollten mit dem Kommunikationsplan abgestimmt werden.

27 27 2. Rechenzentren Rechenzentren spielen für die Arbeit von Organisationen eine wichtige Rolle. In ihnen ist die zentrale Rechentechnik (Server, Datenträger, ) der Organisation untergebracht und sie können somit als das Herzstück der IT in Organisationen bezeichnet werden. Durch die zunehmende elektronische Datenverarbeitung und den Zuwachs von elektronischen Service-Angeboten steigen die Anzahl der Server, Speicher- und Netzwerkkomponenten in Rechenzentren und erhöhen deren Energieverbrauch. Laut einer Berechnung des Borderstep Instituts liegt der Stromverbrauch von Servern und Rechenzentren in Deutschland in 2008 bei 10,1 TWh. Damit entspricht dieser Stromverbrauch einem Anteil am Gesamtstromverbrauch in Deutschland von rund 1,8 % und bedeutet, dass in Deutschland vier mittelgroße Kohlekraftwerke ausschließlich für die Versorgung von Servern und Rechenzentren benötigt werden. Aus diesen Zahlen wird deutlich, dass Rechenzentren maßgeblich zur Senkung des durch die IT verursachten Energieverbrauchs in einer Organisation beitragen können. Die nachfolgende Abbildung zeigt die Stromverbrauchsanteile der unterschiedlichen Komponenten in einem Rechenzentrum (siehe Abbildung 6). Hierbei können drei Hauptverbraucher identifiziert werden. Die Kühlung und Klimatisierung sind zusammen für 41 % des Energieverbrauchs verantwortlich. Sie stellen die größten Verbraucher in einem Rechenzentrum dar. Daneben tragen das IT-Equipment und die Stromversorgung (Schaltanlagen / Generatoren, Stromverteiler und Unterbrechungsfreie Stromversorgung) zu 30 % bzw. 25 % zum Energieverbrauch bei. Anhand dieser drei Hauptverbraucher werden in den folgenden Unterkapiteln Maßnahmen zum Einsparen von Energie beschrieben. Je nach Aufbau des Rechenzentrums können die Maßnahmen unterschiedlich stark zur Reduzierung des Energieverbrauchs beitragen.

28 28 Beleuchtung Schaltanlagen/ Generator 1% 1% Befeuchtungsanlage 3% Stromverteiler 5% Klimatisierung 9% USV 18% IT-Equipment Kühlung 30% 33% Abbildung 6: Stromverbrauchsanteile unterschiedlicher Komponenten in einem Rechenzentrum (Quelle: The Green Grid) 2.1 IT-Equipment Das IT-Equipment trägt zu 30 % zum Energieverbrauch des Rechenzentrums bei (siehe Abbildung 6). Daher liegt in der Optimierung der IT ein wichtiger Ansatzpunkt, um den Energieverbrauch zu senken. Denn Einsparungen bei der Hardware lohnen sich doppelt. Zum einen werden direkte Einsparungen beim Energieverbrauch der IT erzielt. Zum anderen kann der Verbrauch im Bereich der Kühlung reduziert werden. Denn ein großer Teil der durch IT-Equipments verbrauchten Energie wird in Wärme umgewandelt, die wiederum durch ein Kühlungssystem kompensiert werden muss, um den IT-Betrieb bei zugelassenen Temperaturen zu sichern. Zur Optimierung des Energieverbrauchs im Rechenzentrum gibt es generell zwei Strategien. Zum einen kann besseres IT-Equipment eingesetzt werden, das weniger Energie verbraucht. Zum anderen ist es möglich, die Anzahl des IT-Equipments zu reduzieren. Dadurch wird einerseits der Energieverbrauch gesenkt und andererseits Kosten für IT-Hardware vermieden. In den nachfolgenden Unterkapiteln werden unterschiedliche Ansätze zur Optimierung der Hard- und Software beschrieben und die möglichen Einsparpotenziale dargestellt. Dabei ist zu beachten, dass die Anwendbarkeit und die Einsparungen sehr stark von der Infrastruktur des jeweiligen Rechenzentrums abhängen.

29 Anwendungskonsolidierung In vielen großen Organisationen, die unterschiedliche Anwendungen für die Ausübung ihrer Geschäftstätigkeit benötigen, ist die IT sehr stark in den Abteilungen verankert. Ein Grund hierfür ist meist, dass die Abteilungen selbst dafür Sorge zu tragen haben, ihre IT zu verwalten. Sie sind also selbst dafür verantwortlich ihre IT entsprechend ihres Bedarfs auszubauen und weiterzuentwickeln. Durch ein solches dezentrales Modell kommt es häufig dazu, dass im Rechenzentrum viele gleiche Anwendungen von unterschiedlichen Abteilungen betrieben werden oder das von einer Anwendung unterschiedliche Versionen im Einsatz sind. Durch diesen Anwendungswildwuchs entstehen vermeidbare Energieverbräuche und Kosten. Daher ist eine Lösung, um den Energieverbrauch zu senken, die Anwendungen zu konsolidieren. Bei der Anwendungskonsolidierungen werden zuerst alle betriebenen Anwendungen und die dazugehörigen Server erfasst. Aus dieser Aufstellung werden die Anwendungen und Verfahren identifiziert, bei denen sich Leistungen überschneiden bzw. die durch andere ersetzt werden können. Anschließend werden die Anwendungen unter der Berücksichtigung von deren Anforderungen, Performance und Verfügbarkeit auf eine geringe Anzahl von Servern verteilt (siehe Abbildung 7). Durch dieses Vorgehen können meist mehrere Server außer Betrieb genommen und somit der durch die IT- Geräte verursachten Energieverbrauch gesenkt werden. A D A B C E C D F Server I Server II Server III Server IV A D C E F Server I Server II Abbildung 7: Anwendungskonsolidierung

30 30 Neben der Reduzierung der Server und des Energieverbrauchs hat die Anwendungskonsolidierung noch weitere Vorteile. Unter anderem werden: Lizenzkosten verringert, der im Rechenzentrum zur Verfügung stehende Raum vergrößert, Administrations- und Wartungsaufwand verringert, Kosten für IT-Geräte reduziert. Allerdings ist diese Maßnahme mit einer aufwändigen Identifikationsphase und Analyse verbunden, deren Komplexität mit der Anzahl der betriebenen Verfahren stark zunimmt. Des Weiteren muss eine Migration der IT-Verfahren durchgeführt werden, die in ihrem Aufwand erst nach der Analyse genau bestimmt werden kann. Trotzdem sollte diese Maßnahme durchgeführt werden, vor allem aufgrund der Tatsache, dass sich Einsparung in der IT doppelt bezahlt machen. Eine weitere Methode zur Konsolidierung der Anwendungen, die auf Basis der Virtualisierung der Server durchgeführt werden kann, wird gesondert im Kapitel beschrieben. Nutzen Umsetzbarkeit Niedrig Hoch Einfach Schwierig Virtualisierung der Server Wie im Kapitel beschrieben, kann die Konsolidierung dadurch erreicht werden, dass mehrere Anwendungen auf einem logischen und physikalischen Server unter dem gleichen Betriebssystem laufen. Dieser Ansatz ist vor allem gut umsetzbar, wenn sehr ähnliche Anwendungen, die auf unterschiedlichen physikalischen Servern laufen, auf einem Server zusammengeführt werden können. Schwierigkeiten treten in der Regel bei einer sehr heterogenen Anwendungslandschaft auf. Aber auch aufwendige Tests und Wartungsarbeiten, die mit einer solchen Konsolidierung einhergehen, sind zu berücksichtigen und werden meist als ein Hinderungsgrund gesehen. Aus diesen Gründen wird heutzutage die Technik der Virtualisierung eingesetzt, um eine Konsolidierung umzusetzen und die beschriebenen Nachteile zu umgehen. Bei der Virtualisierung werden die Anwendungen und das Betriebssystem gekapselt in einer Virtuellen Maschine (VM) auf einem physikalischen Server ausgeführt. Ein Hypervisor, eine Softwarekomponente, die auf einem Server läuft, verwaltet mehrere VMs auf einem Server. Eine VM wird in der Regel als eine Ansammlung von bestimm-

31 Virtualisierung 31 ten Dateien auf dem Server gehalten, die das zugehörige Betriebssystem und die Anwendung beinhalten. Für jede VM werden die verfügbaren Ressourcen so konfiguriert, dass es zu keiner Überlastung der verfügbaren Ressourcen wie Rechenkapazität oder Hauptspeicher kommen kann. In der Praxis hat sich gezeigt, dass in einem Rechenzentrum ohne Virtualisierung die Auslastung von 20 % der Server unter 0,5 % und von 75 % der Server unter 5 % liegt (vgl. Using virtualization to improve data center efficiency; White Paper; The Green Grid). Vor allem in solchen Fällen ist die Konsolidierung durch Virtualisierung ein leistungsfähiges Werkzeug zur Einsparung von Energie. Außerdem werden auf diese Weise auch Einsparungen hinsichtlich Fläche und Klimatisierung sowie Wartung und Administrationskosten für Hardware erreicht. mehrere virtuelle Server Archiv Server Mail Server Directory File Server Archiv Server Mail Server Directory File Server mehrere physische Server ein physischer Server Abbildung 8: Virtualisierung führt zur Reduzierung der eingesetzten Server-Hardware. Die Energieeinsparung durch die Konsolidierung mittels Virtualisierung wird durch die Reduzierung von unausgelasteten Servern realisiert. Da der Energieverbrauch eines Servers nicht linear mit seiner Auslastung ansteigt, liegt der Energieverbrauch bei einem nicht ausgelasteten Server bei 70 % der Vollauslastungssituation. In einer nicht konsolidierten Serverlandschaft laufen viele Server mit geringer Auslastung und verbrauchen zusätzliche Energie, die nicht für die eigentliche Rechenleistung verwendet wird. Durch die Konsolidierung durch Virtualisierung kann einerseits der Stromverbrauch reduziert und anderseits die Erzeugung von unnötiger Wärme verhindert werden, die wieder aufwendig zu kompensieren ist. Darüber hinaus kann der eingesparte Platz für die Erhöhung der Rechenzentrumskapazität genutzt werden. In den meisten Rechenzentren gibt es nur einen geringen Anteil an Servern, die überhaupt nicht virtualisiert werden können. Dies kann durch die Verwendung bestimmter Hardware oder Software bedingt sein, deren Hersteller den fehlerfreien Betrieb in ei-

32 32 ner virtualisierten Umgebung nicht sicherstellen. Es kann auch aus Sicherheitsgründen eine vollständige Isolierung der Server-Hardware von sonstigen Servern vorgesehen werden. Neben der Herausforderung der Komplexität der Virtualisierung wird durch diese Technik eine höhere Leistungsdichte erreicht, was komplexere Anforderungen an die Kühlung der Hardware stellen kann. Es muss auch berücksichtigt werden, dass das Betreiben mehrerer VMs auf einem physikalischen Server ein Risiko darstellt. Bei einem Ausfall der Server-Hardware sind alle VMs des Servers betroffen. Dennoch ist die Virtualisierung eine bewährte Technologie und eines der mächtigsten Werkzeuge zur Einsparung des Energieverbrauchs bei Servern. Daher ist die Anwendung dieses Lösungsansatzes zu empfehlen. Nutzen Umsetzbarkeit Niedrig Hoch Einfach Schwierig Einschalten der Energiesparfunktion des Servers Die typische Auslastung der Server in einem Rechenzentrum ähnelt einem Kamelhöcker (siehe Abbildung 9). Von den frühen Morgenstunden bis zum Vormittag steigt die Last stark an und fällt anschließend, bis sie am Mittag den Tagestiefstand erreicht. Im Verlaufe des Nachmittags steigt die Serverlast wieder leicht an bis zu einer kleinerem Spitze und sinkt danach wieder sukzessive weiter ab. Außerhalb dieser Zeiten sind die Server meist nicht oder kaum belastet. Viele Prozessoren laufen dann im Leerlaufmodus, in dem sie immer noch bis zu 70 Prozent des Stroms verbrauchen, den sie unter voller Belastung verbrauchen würden.

33 Serverlast 33 Abbildung 9: Typische Auslastung eines Servers über 24h Vormittag Nachmittag Zeit Einige Serverprozessoren (wie Intel- und AMD-Prozessoren) sind mit Power- Management-Funktionen ausgestattet, die den Betrieb des Prozessors im Leerlaufmodus optimieren können. Hierzu regelt ein Multiplikator die Taktfrequenz und die Spannung des Prozessors für den notwendigen Betrieb in Abhängigkeit von Prozessorauslastung. Da der Energieverbrauch einiger Komponenten des Servers von der Taktung des Prozessors abhängt, lässt sich auf dieser Weise der Energieverbrauch des Servers um bis zu 30 % reduzieren, wenn der Sever in eingeschaltetem Sparmodus läuft. Diese Funktion ist meist ausgeschaltet, um die Reaktionszeit des Servers zu verkürzen. Aufgrund der Einsparpotenziale sollte diese Strategie überprüft und soweit wie möglich Server mit eingeschalteter Energiesparfunktion eingesetzt werden. Nutzen Umsetzbarkeit Niedrig Hoch Einfach Schwierig Einsatz von effizienten Prozessoren Der Prozessor eines Servers ist zu über 30 % für dessen Energieverbrauch verantwortlich (vgl. Energieeffizienz im Rechenzentrum; Band 2; BITKOM). Um den Verbrauch auch in diesem Bereich zu reduzieren, bieten seit einigen Jahren unterschiedliche Prozessorhersteller Prozessoren mit geringerem Stromverbrauch bei gleicher Leistungskapazität an. Mit diesen CPUs lässt sich der Energieverbrauch um bis zu 30 % reduzieren (vgl. Energy Logic: Reduzierung des Energieverbrauchs im Rechenzentrum durch die Realisierung von Einsparungen über eine Vielzahl von Systemen

34 34 hinweg; Emerson Network Power). Auf diese Weise lassen sich direkte Einsparungen an der zentralen Recheneinheit realisieren. Einen weiteren Beitrag zur Energieeinsparung leisten Multikernprozessoren. Sie arbeiten effizienter als mehrere einfache Prozessoren in unterschiedlichen Gehäusen, da sie die gleiche Stromversorgung und Kühlung nutzen und sich die verfügbare Infrastruktur des Mainbords und im Prozessor wie Cache, Bussystem etc. teilen. Bei der Beschaffung von neuen Servern mit Prozessoren sollten daher die voran beschriebenen Aspekte berücksichtigt werden. Auch wenn die Anschaffungskosten zunächst höher liegen, kann sich die Investition über den Lebenszyklus auszahlen. Nutzen Umsetzbarkeit Niedrig Hoch Einfach Schwierig Einsatz von Blade-Servern Neben den klassischen Servern im 19 Format hat sich in den letzten Jahren der Einsatz von Blade-Servern im Rechenzentrum verstärkt (vgl. IDC, Gründe hierfür sind unter anderem, dass sie sparsamer mit Raum und Energie umgehen als die klassischen Server im eigenen Gehäuse. Ein Blade-Server (auch Blade genannt) ist ein spezieller Server mit einer besonders flachen Bauform. In der Regel werden mehrere dieser Blades neben- oder übereinander in einem Chassis, dem sogenannten BladeCentre, angeordnet. Die Blade- Server werden in Slots eingeschoben und sind dann automatisch mit der Backplane des Baugruppenträgers verbunden (vgl. Der Backplane trägt die Steckverbinder für die Blades und verbindet diese elektrisch. Das Prinzip ist das gleiche wie beim heimischen Computer, wobei die Steckkarten, wie z. B. die externe Grafikkarte, die Blades und der Backplane das Mainboard ist. Neben den Vorteilen wie z. B. kompakte Bauweise, hohe Leistungsdichte, Skalierbarkeit und Flexibilität sowie einfache Verkabelung bietet der Einsatz von Blade-Servern auch Möglichkeiten zur Energieeinsparung bei Lüftern und Netzteilen. Für die Kühlung der Blades wird üblicherweise Luft als Kühlmedium eingesetzt. Da die Versorgung der Blade-Einschübe zentral durch das Gehäuse erfolgt, reduziert sich die aktive Kühlung auf nur wenige Lüfter. Zudem werden die Blades nicht durch einzelne Netzteile mit Energie versorgt, sondern mittels zentral angeordneten Energielieferanten, die redundant ausgelegt sind. Mit Hilfe von Power- und Kühlungsmanagement der Server, das

35 35 sich automatisch auf die Rechenleistung anpasst, kann der Energieverbrauch weiter gesenkt werden. Durch die Zentralisierung der Versorgung und die Abstimmung der Blades auf den Anwendungszweck lässt sich der Energieverbrauch für die Kühlung und den Strom um bis zu 30 % reduzieren. Dabei ist zu beachten, dass sich der Einsatz von Blade- Servern nur lohnt, wenn das BladeCentre zu mindestens 40 % belegt ist. Nutzen Umsetzbarkeit Niedrig Hoch Einfach Schwierig Einsatz von effizienten Netzteilen Das Netzteil versorgt die einzelnen Bauteile des Servers mit dem erforderlichen Strom und ist somit eines der wichtigsten Komponenten in einem Rechnersystem. Allerdings trägt es auch zu 20 % des Energieverbrauchs des Servers bei (vgl. Energieeffizienz im Rechenzentrum; Band 2; BITKOM). Daher lässt sich durch die richtige Dimensionierung und Auswahl des Netzteils nicht nur die Ausfallsicherheit erhöhen, sondern auch die Energieeffizienz des Servers verbessern. In der Regel werden elektronische Bauteile mit Gleichstrom betrieben. Dies gilt auch für Server. Daher muss der von den Netzbetreibern eingespeiste Wechselstrom in Gleichstrom umgewandelt werden. Diese Aufgabe übernimmt das Netzteil im Server. Daher ist einer der wichtigsten Parameter für Netzteile der sogenannte Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad errechnet sich aus dem Verhältnis der Wirkleistung am Ausgang und am Eingang. Je höher dieser Wert, desto effektiver arbeitet das Netzteil. Ein hoher Wirkungsgrad hat mehrere positive Auswirkungen. Vor allem erzeugt ein Netzteil mit einem hohen Wirkungsgrad gegenüber einem Netzteil mit einem geringen Wirkungsgrad weniger Verlustleistung bei gleicher Wirkleistung. Dies führt einerseits zu einem geringeren Stromverbrauch und andererseits können Netzteile mit einer geringeren Nennleistung verwendet werden. Darüber hinaus haben Netzteile mit einem hohen Wirkungsgrad eine geringere Hitzeentwicklung, weil weniger Verlustleistung in Wärme umgewandelt wird. Somit kann durch die richtige Auswahl der Netzteile auch indirekte Einsparungen bei der Kühlung und Klimatisierung realisiert werden.

36 Wirkungsgrad (%) 36 Last (%) Abbildung 10: Abhängigkeit des Wirkungsgrades in Abhängigkeit von der Last Der Wirkungsgrad eines Netzteils ist auch von der Last der Verbraucher abhängig. Daher ist bei der Auswahl eines Netzteils, neben der richtigen Dimensionierung, auf einen hohen Wirkungsgrad zu achten, der bereits bei einem niedrigen Verhältnis von Gesamtausgangsleistung zur maximalen Eingangsleistung bzw. der geschätzten Last zur Verfügung steht (siehe Abbildung 10). Nutzen Umsetzbarkeit Niedrig Hoch Einfach Schwierig Server Ventilatoren Da die meisten Prozessoren und elektronischen Bauteile wärmeempfindlich sind und bei einer zu hohen Umgebungstemperatur Fehler liefern oder gar thermisch zerstört werden, muss die Wärme abgeführt werden. Diese Aufgabe des Wärmetransports im Server übernehmen dessen Ventilatoren. Sie sorgen dafür, dass die kühle Luft der Umgebung angesaugt, über die elektronischen Komponenten, wo sie sich erwärmt, geblasen und wieder auf der Rückseite des Servers ausgestoßen wird. Der Energieverbrauch liegt der Lüfter in der Regel bei 13 % des gesamten Energieverbrauchs des Servers (vgl. Energieeffizienz im Rechenzentrum; Band 2; BITKOM). Zur Reduktion des Energieverbrauchs der Ventilatoren ergeben sich üblicherweise zwei Ansätze. Zum einen sollte auf den Einsatz von energieeffizienten Ventilatoren geachtet werden, die vor allem im Arbeitsbereich ein günstiges Verhältnis vom Volu-

37 37 menstrom (Der Volumenstrom (m 3 /h) beschreibt die Menge der Luft, die in einer Stunde durch den Ventilator über seine Öffnung bewegt wird) zu dessen Energieverbrauch haben. Zum anderen sollte das Luftstromvolumen immer auf die aktuellen Bedürfnisse angepasst werden. Denn je höher die Last von elektrischen Komponenten, wie z. B. Prozessoren, ist, desto mehr Wärme wird auch erzeugt. Die Komponenten werden aber in der Regel nicht mit voller Leistung gefahren, sondern nur in Ausnahmefällen. Da aber der Energieverbrauch der Ventilatoren nicht linear zum Luftstromvolumen sondern exponentiell steigt, sollte die Leistung des Ventilators immer auf die aktuellen Umgebungstemperaturen angepasst werden. Nutzen Umsetzbarkeit Niedrig Hoch Einfach Schwierig Adäquate Dimensionierung des Servers In Rechenzentren kann es vorkommen, dass die eingesetzten Server über mehr Leistung (Rechenleistung, Speicherplatz, usw.) verfügen, als sie für ihre tägliche Arbeit bräuchten. Gründe hierfür sind unter anderem: Mehr Leistung für zukünftige Aufgaben, Fehlende Anforderungsanalyse, Anforderungen aus Service-Levels. Da der Energieverbrauch von Servern selbst im Leerlauf in der Regel deutlich mehr als 70 Prozent seiner Maximalleistung beträgt, wird bei einer Überdimensionierung des Servers Energie unnötig verbraucht (vgl. Energieeffizienz im Rechenzentrum; Band 2; BITKOM). Daher ist die Grundlage für die Beschaffung neuer Server eine detaillierte Anforderungsanalyse, die alle Aspekte (Skalierbarkeit, auszuführende Anwendungen, Spitzenlasten, usw.) berücksichtigt. Nur auf Basis einer solchen Analyse sollte die Auswahl von Servern erfolgen und nicht auf Grund von reinen Schätzungen. Nutzen Umsetzbarkeit Niedrig Hoch Einfach Schwierig

38 Server ausschalten Die Server im Rechenzentrum sind einer der größten Energieverbraucher. Einsparungen in diesem Bereich lohnen sich gleich doppelt, da zum einen der Verbrauch der Server direkt reduziert wird und zum anderen sich Einsparungen in der Infrastruktur und Versorgungstechnik ergeben. Somit kann durch das Ausschalten und Entfernen nicht arbeitender Server Energie gespart werden. Des Weiteren handelt es sich hierbei um eine Vorstufe für die Konsolidierung. Denn genau wie bei der Konsolidierung müssen auch hier vorab alle Server mit ihren Anwendungen und deren Nutzung identifiziert werden. Temporäres Ausschalten von Servern Nicht alle Server werden im 24-Stundenbetrieb eingesetzt. Manche Server werden für periodische Aktivitäten wie tägliche Backups eingesetzt und sind demnach die meiste Zeit ohne Auslastung. Derartige Server können für die benötigte Zeit automatisch ausgeschaltet bzw. remote eingeschaltet werden. Andere Server wie Entwicklungsund Testserver werden ausschließlich für gewisse Zeiträume benötigt. Sie sollten daher auch nur für diese Zeitspanne hochgefahren und nach der Entwicklungs- und Testarbeit wieder ausgeschaltet werden. Normale Anwendungen werden häufig nur zwischen sieben und achtzehn Uhr genutzt. In einer virtualisierten Umgebung kann die Serverkapazität in der verbleibenden Zeit auf ein Minimum reduziert werden. Diese Möglichkeit sollte genutzt werden, um den Energieverbrauch weiter zu senken. Ausschalten von toten Servern Auf alten Servern laufen teilweise Anwendungen, die nicht mehr verwendet werden. Diese Server sind in der Regel nicht abgestellt, da meist keine Rückmeldung darüber erfolgt, ob sie genutzt werden. Zu dem Wissen viele Organisationen nicht, welche Anwendungen auf den Servern laufen und scheuen aus diesem Grund die Abschaltung und Beseitigung von Servern. Daher ist eine der Grundvoraussetzung zur Abschaltung von Servern eine Aufstellung aller Anwendungen, die auf einem Server betrieben werden. Darüber hinaus muss für jede Anwendung erhoben werden, ob sie noch aktiv ist oder nicht. Mit Hilfe der Analyse der Nachfrage oder der Netzwerkaktivitäten der Server können tote Server und nicht genutzte Anwendungen identifiziert und falls notwendig abgeschaltet werden. Anwendungen, die mit wenig Zugriff oder Last auf alten Servern laufen, können auf andere Server übertragen werden, damit alte und bezüglich des Energieverbrauchs

39 39 nicht effiziente Server aus dem Betrieb genommen werden können (siehe auch Kapitel und Kapitel 2.1.2). Nutzen Umsetzbarkeit Niedrig Hoch Einfach Schwierig Speichertechniken Organisationen sammeln, verwalten und verarbeiten heutzutage eine immer größer werdende Datenmenge, die einer der wichtigsten Werte für sie darstellen. Dabei stehen die Organisationen vor der Herausforderung einerseits die Informationen und anwendungsspezifischen Daten in ihrer Speicherinfrastrukturen ausfallsicher aufzubewahren. Andererseits müssen sie die steigende Menge der zu verwaltenden Daten so übersichtlich und effizient wie möglich speichern. Für die Aufbewahrung der Daten im Rechenzentrum existieren in der Praxis drei gängige Lösungsansätze (siehe Abbildung 11), die auch in gemischter Form auftreten können. Abbildung 11: Aufbau der unterschiedlichen Speichersysteme DAS, NAS und SAN Direct Attached Storage

40 40 Das DAS-Speichersystem (Direct Attached Storage) ist eines der weitverbreitetsten und ältesten Verfahren, um Speicher in einem Netzwerk einzubinden. Bei diesem Lösungsansatz wird, wie der Name schon sagt, direkt an dem Server intern oder extern ein Plattenspeicher angeschlossenen. In der Regel sind die Server mit einem separaten Massenspeicher verbunden. Das externe Speichermedium verfügt üblicherweise über weitere elektronische Komponenten, wie z. B. Netzteile, Ventilatoren und Controller, die neben der Festplatte auch Energie verbrauchen. Der Vorteil dieses Lösungsansatzes liegt in dem exklusiven Zugriff eines Servers auf das Speichermedium, wodurch sich sehr schnelle Zugriffszeiten und sehr hohe Datentransfers realisieren lassen. Dem Vorteil der hohen Zugriffsgeschwindigkeit steht eine Reihe von Nachteilen aus Green-IT-Sicht gegenüber. Ein Schwachpunkt ist, dass jeder Server über einen eigenen Speicher verfügt, und sich deswegen zum Energieverbrauch jedes Servers der Verbrauch seines DAS-Speichersystems mit seinen Festplatten und elektronischen Komponenten hinzukommt. Daher erhöht sich mit jedem Server der Energieverbrauch um einen zusätzlichen Faktor. Ein weiteres Problem der unabhängigen DAS-Systemen ist, dass dadurch der Anteil des freien Speichers am Gesamtvolumen des Rechenzentrums ansteigt. Da ein DAS- Speichersystem sehr schlecht skaliert, wird dieser Effekt weiter verstärkt. Denn die IT- Manager müssen den zukünftig benötigten Speicherplatz abschätzen. Aus diesem Grund werden die Festplatten und elektronischen Komponenten in der Regel größer dimensioniert. Somit verbrauchen einerseits die Massenspeicher mehr Energie, als sie entsprechend ihrer aktuellen Anforderungen her müssten. Andererseits steigt das freie Speichervolumen weiter an. Bei einem Speicher, der von allen Servern geteilt wird, kann die Größe des freien Speichers geringer ausfallen, wodurch sich die Anzahl der Festplatten und elektronische Komponenten reduzieren und der Energieverbrauch sinkt. Network Attached Storage Neben der DAS-Speicherlösung gibt es auch die Möglichkeit, dass mehrere Server sich ein gemeinsames Speichersystem teilen. Eine solche Lösung ist das Network Attached Storage (NAS). Hierbei werden Speichermedien direkt an das Netzwerk angeschlossen und können über die vorhandene Infrastruktur der Organisation genutzt werden. Das NAS-System besteht in der Regel aus mehreren Servern, die über eine festgelegte Plattenkapazität verfügen und auf denen ein Betriebssystem, das auf die vorab

41 41 festgelegten Anforderungen angepasst ist, läuft. Die NAS-Speichereinheiten werden direkt an das lokale Netz (Local Area Network (LAN)) angeschlossen und der Zugriff auf die Dateien erfolgt durch das Dateiverfahren. Bei diesem Verfahren werden die Daten nur über ihren Namen referenziert, nicht über ihren Speicherplatz (z. B. Datei /home/user/green_it.txt ). Um auf den Inhalt der Dateien zugreifen zu können erfolgt durch einen separaten Rechner (in der Regel ein Fileserver) die Auflösung des Dateinamens. Der Rechner nimmt die Lese- oder Schreibanforderungen einer kompletten Datei entgegen und verwaltet den blockweisen Zugriff auf den Datenträger. Für den Datenaustausch zwischen Server und Fileserver wird in der Regel ein IP-Netz verwendet, das als Ethernet-LAN implementiert ist. Dies bietet den Vorteil, dass diese ausgereifte Technologie weitverbreitet ist und somit die bestehenden Infrastrukturen genutzt werden können. Allerdings kann bei dieser Technik immer nur ein IP-Gerät die Leitung nutzen, wodurch die Zugriffsgeschwindigkeit durch die Auslastung beeinflusst wird. Ein NAS bietet unter anderem die Vorteile, dass von unterschiedlichen Servern gleichzeitig auf die Dateien zugegriffen werden kann. Zudem skaliert der Ansatz sehr gut, da sich die Server den Speicher teilen und der Speicherplatz beliebig erweitert werden kann. Dies geschieht, indem weitere NAS-Geräte bei Bedarf ins Netzwerk gehängt werden. Dadurch ist es möglich, das freie und ungenutzte Speichervolumen auf ein Minimum zu reduzieren, ohne das die Datensicherheit oder die Funktionsfähigkeit für zukünftige Aufgaben gefährdet ist. Durch das geringe freie Speichervolumen können Festplatten und elektronische Komponenten für die NAS-Systeme eingespart und der Energieverbrauch gesenkt werden. Storage Area Network Ein Storage Area Network (SAN) ist ein separates Netzwerk, das nur für die Speicherung von Daten konzipiert ist. In dem Speichernetzwerk befinden sich nur Massespeicher (z. B. Bandlaufwerke und Plattensubsysteme) und es werden ausschließlich Daten an ein Speichermedium oder umgekehrt transportiert. An den Schnittstellen zwischen SAN und LAN erfolgt die Trennung der Netzwerke über die Server. D. h. die Server sind über ein separates Netzwerk an die Massenspeicher angebunden (siehe Abbildung 12).

42 42 PC Client PC Client PC Client Ethernet LAN Server Server FC-Switch Storage Area Network Fibre Channel SAN FC-Switch Disk Storage Disk Storage Disk Storage Disk Storage Tape Storage Abbildung 12: Anbindung des separaten Speichernetzwerks an das IP-Netz Die im SAN eingesetzten Netze wurden eigens entwickelt, um Speichersysteme an Rechner anzubinden. Sie bieten eine Hochgeschwindigkeitsverbindung, die wie ein dezidierter Kanal funktioniert. Über diesen Kanal können viele unterschiedliche Server mit dem Speichersystem verbunden werden, wobei die Signale von den Geräten über eine gemeinsame Verbindung laufen können, ohne dass sie sich gegenseitig dabei behindern. Ein SAN wird häufig als Fibre-Channel-Infrastruktur (FC) betrieben. So genannte Fibre-Channel-Switche stellen wie Switche in lokalen Netzen die Verbindung zwischen den Massenspeichern und Servern her. Dabei werden die Daten in einem SAN blockbasiert übertragen. Beim Blockzugriff werden die Informationen direkt vom Datenträger in einzelnen Datenblöcken (Block für Block) angefordert (z. B. Block 6001 von Festplatte 1 ). Hierfür sind spezielle Controller erforderlich, die mit Hilfe von Tabellen die Inhalte der Datenträger vorhalten und so den schreibenden und lesenden Zugriff steuern. Ein SAN kombiniert die Vorteile von NAS und DAS. Der Zugriff erfolgt auf Block-Level über ein spezielles Netzwerk, wodurch sich sehr hohe Zugriffsgeschwindigkeiten realisieren lassen. Zusätzlich skaliert das SAN-Konzept sehr gut. Dadurch lassen sich, wie auch beim NAS, das freie Speichervolumen auf ein Minimum reduzieren und somit der Energieverbrauch senken. Des Weiteren bietet das SAN unter anderem noch Vorteile bei Wartung und Backups.

43 43 Der größte Vorteil eines SANs ist die Möglichkeit der Speichervirtualisierung. Durch die Speichervirtualisierung lassen sich die verteilten Speichermedien im SAN wie eine virtuelle Festplatte behandeln. Den Servern werden im SAN virtuelle Festplattenpartitionen zugewiesen, die entsprechend des Bedarfs vergrößert oder verkleinert werden. In der Regel kann das Speichervolumen im laufenden Betrieb durch Bestückung mit weiteren Festplatten erweitert werden, so dass der wachsende Bedarf an Speicherplatz problemlos gedeckt wird. Auf diese Weise lässt sich das Speichervolumen optimal an die Anforderungen der Organisation anpassen und so den Energieverbrauch für den Speicher auf das notwendige Maß senken. Nutzen Umsetzbarkeit Niedrig Hoch Einfach Schwierig Effiziente Datenverwaltung Frei verfügbare Speicherkapazitäten führen meist zu einem sorglosen Umgang der Nutzer mit den Ressourcen. Dies kann schnell zu sehr großen Datenmengen führen. Vor allem pixelbasierte Bilder (z. B. eingescannte Dokumente) und Multimediadaten (z. B. Video-Aufnahmen) belegen relativ zu anderen einfachen Anwendungsdaten und textbasierten Dateien viel Speicherplatz. Hinzu kommt, dass die Daten mehrfach gespeichert oder alte, nicht mehr verwendete Daten nicht gelöscht werden. Diese Praktiken verursachen die Ansammlung von großen Datenmengen, die im Rechenzentrum gespeichert und verwaltet werden müssen. Dadurch erhöht sich sukzessive der Gesamtenergieverbrauch im Rechenzentrum. Information Management Strategie Klare Regelungen zur Datenverwaltung und Datenlangzeitspeicherung helfen, die Ansammlung unnötiger Daten zu verhindern. In diesem Zusammenhang ist es empfehlenswert, Strategien im Sinne vom Information Lifecycle Management (ILM) zu entwickeln. Das ILM verwaltet die Information über deren gesamten Lebenszyklus. Ziel ist es, die Informationen in Abhängigkeit vom Informationswert, Verfügbarkeit und Nutzung der Daten immer auf das geeignete Speichermedium zu verschieben. Dabei sollten Informationen, deren Informationswert, Verfügbarkeit und / oder Nutzungsintensität niedrig ist, auf besonders energieeffizienten Speichermedien hinterlegt werden. Andere Regelungen können, wie z. B. Quotas, die automatische Löschung von Informationen oder Archivierung sein. Beispielsweise Daten wie s werden nach 90 Tagen gelöscht oder die Postfachgröße wird auf 100 MB festgelegt.

44 44 Deduplizierung Eine Technik zur Vermeidung von Mehrfachspeicherung, die ein Grund für das Zustandekommen von großem Datenvolumen sein kann, ist die Deduplizierung. Durch den Einsatz der Deduplizierung wird die redundante Speicherung von Daten mit gleichem Inhaltsmuster vermieden und somit Speicherplatz gespart. Bei der Deduplizierung werden mit Hilfe einer Deduplizierungskomponente gleiche Byte-Sequenzen identifiziert und diese durch Verweise zu einmalig gespeicherten Daten ersetzt, anstatt sie redundant zu speichern. Dabei bleibt die Anwendersicht auf die Daten unverändert. Aktuellere Versionen von -Software (wie z.b. IBM Notes & Domino und Microsoft Exchange) nutzen diesen Ansatz um beispielsweise - Anhänge nur einmalig zu speichern, um Speicherplatz zu sparen. Aber auch bei der effizienten Erstellung von Backups auf Festplatten kann die Deduplizierung eingesetzt werden. Dabei kann die Deduplizierung direkt beim oder später nach dem Speichern erfolgen. Sollten Backups aus bestimmten Gründen nicht auf Magnetbändern, sondern auf Festplatten gehalten werden, ist es ratsam das Datenvolumen durch Deduplizierung klein zu halten. Der Einsparungseffekt durch die Deduplizierung kann zusätzlich durch eine Komprimierung der Daten erhöht werden, die als eine zusätzliche Funktion mit der Deduplizierungskomponente angeboten werden kann. Einige Daten lassen sich sehr gut komprimieren, die bei einem Zugriff natürlich wieder dekomprimiert werden müssen. Der Vorgang der Komprimierung vor dem Schreiben und Dekomprimierung nach dem Lesen erhöht die Zugriffszeit der Daten. Zur Beschleunigung der Komprimierung bzw. Dekomprimierung wird manchmal eine spezielle Hardware eingesetzt, die schneller als eine Softwarelösung funktioniert. Die Einsparungen durch Deduplizierung können bedingt durch das eingesetzte Verfahren und durch die Datenstrukturen sehr unterschiedlich ausfallen. Hersteller geben Verhältnisse zwischen 10:1 bis 500:1 an. Nutzen Umsetzbarkeit Niedrig Hoch Einfach Schwierig

45 Speichermedien Neben den Ansätzen den Betrieb der Speichersysteme (z. B. DAS, NAS oder SAN) zu verbessern und damit den Energieverbrauch zu reduzieren besteht als weitere Möglichkeit den Einsatz von den in den Speichersystemen verwendeten Speichermedien (z. B. Festplatten, Magnetbändern, usw.) zu optimieren. Dabei kann der Energieverbrauch der Speicher-Hardware vor allem durch eine an die Anforderungen gerechte Auswahl gesenkt werden. Einsatz energieeffizienter Speichermedien Nicht alle Daten werden gleich oft genutzt und müssen gleich schnell verfügbar sein. Daher können Daten, die nicht so oft genutzt werden oder schnell verfügbar sein müssen, auf energiesparenden Speichermedien gespeichert werden. Ein Beispiel dafür sind die Datensicherungen (Backups). Diese Daten werden nur dann gebraucht, wenn die Originaldaten aus irgendeinem Grund nicht verfügbar z. B. beschädigt sind. Da dieser Fall nicht oft auftritt, sollten sie nicht auf Festplatten, sondern auf energiesparenden Datenträgern, wie z. B. Magnetbändern, gespeichert werden. Der Datenzugriff auf Magnetband ist zwar nicht performant; dies spielt aber im Falle von Backups keine große Rolle, da die Backup-Daten meist zur Herstellung des zuletzt gesicherten Zustands der Festplatten dienen und nicht als aktive Daten der Anwendung interaktiv genutzt werden. Nutzer und Prozesse haben unterschiedliche hohe Anforderungen bezüglich der Performanz einer Anwendung. Es ist sicherlich gerechtfertigt, sehr schnelle Festplatten für kritische Anwendungen vorzusehen, die aufgrund von hoher Drehzahl der Platten einen höheren Energieverbrauch aufweisen. Es ist aber nicht ratsam, für tolerantere Prozesse bzw. für die zugehörigen Anwendungen die schnellsten Platten zu wählen. Sehr selten ist die Festplatte der Flaschenhals der Anwendung. Es sollte daher geprüft werden, ob auch langsamere Festplatten den Performanz-Anforderungen genügen. Rechenzentren können zentrale Speichersysteme für verschiedene Anforderungen realisieren, die entsprechend den Servern zugeteilt werden können. So kann die Nutzung von sehr schnellen Speichersystemen für die zeitkritische Anwendungen beschränkt werden. Weniger kritische Anwendungen können weiter gruppiert werden, denen entsprechend geeignete Speichersysteme zur Verfügung gestellt werden können.

46 46 Effiziente Konfiguration von Speichersystemen Speichersysteme (z. B. SAN) stellen einen relativ großen Speicherplatz zur Verfügung, der normalerweise nicht durch eine einzige Festplatte bereitgestellt werden kann. Dafür integriert das Speichersystem mehrere Festplatten und stellt sie nach außen oft als einen einzigen großen Speicherbereich dar. Zum Aufbau von Speichersystemen werden meist Festplatten vom gleichen Typ (Hersteller, Kapazität, Geschwindigkeit, Formfaktor etc.) eingesetzt. Bei der Konfiguration des Speichersystems wird in der Regel nur auf die notwendige Speicherkapazität und die möglichst hohe Geschwindigkeit der Platten geachtet. Der Energieverbrauch bleibt meist unberücksichtigt. Dabei kann durch die richtige Parameterwahl die gewünschte Kapazität des Speichersystems energieeffizient aufgebaut werden. Zu berücksichtigen sind vor allem folgende Punkte: Je höher die Kapazität der einzelnen Platten, desto geringer ist die Anzahl der Festplatten. Festplatten mit größerem Formfaktor bieten eine höhere Speicherkapazität relative zu Festplatten mit kleinerem Formfaktor (z. B. 3,5 Platten im Vergleich mit 2,5 Platten). Festplatten mit größerem Formfaktor haben einen höheren Energieverbrauch im Vergleich mit Festplatten in kleinerem Formfaktor. Festplatten gleicher Kapazität bei gleichzeitig höherer Geschwindigkeit bzw. Umdrehungszahl haben einen höheren Energieverbrauch. Festplatten in (mit) unterschiedlichen Typenvariationen und unterschiedlicher Hersteller sind bezüglich Energieeffizienz unterschiedlich. Für ein gewünschtes Speichervolumen und eine spezifische Performanz-Anforderung sollte der Energieverbrauch des möglichen Aufbaus mit unterschiedlichen Konfigurationen vorher berechnet werden und als Entscheidungsgrundlage dienen. Nutzen Umsetzbarkeit Niedrig Hoch Einfach Schwierig

47 Einsatz von intelligenten Switches Ein Switch ist eine Netzwerkkomponente, an dem die Rechner in einem lokalen Netzwerk (LAN) angeschlossen werden, um miteinander kommunizieren zu können. Jeder vernetzte Rechner wird über den Ausgang seiner Netzwerkkarte mit einem Netzwerkkabel an einem Port des Switches angeschlossen. Professionelle Switches besitzen meist über 40 Ports. Wenn mehr Rechner zu vernetzen sind als die verfügbaren Ports eines Switches, dann werden mehrere Switches eingesetzt. Zur Erhöhung der Verfügbarkeit sind sie meist für einen redundanten Verbindungsaufbau konfiguriert. Ein herkömmlicher Switch verbraucht auch dann Strom, wenn im Netz kein Datenverkehr herrscht. Intelligente Switches erkennen, ob an einem Port ein Rechner angeschlossen ist, bzw. ob über diesen Port Daten übertragen werden. Sie können die ungenutzten Ports oder Ports ohne Datenverkehr temporär in Standby-Modus schalten und bei bestehender Kommunikation wieder in Normalbetrieb schalten. Herkömmliche Switches senden die Datensignale mit einer konstanten Leistung, die sicherheitshalber für Leitungslängen von 100 m ausgelegt ist. Meist sind aber die Rechner über ein kürzeres Kabel an Switches angeschlossen. Intelligente Switches können mit Hilfe von spezieller Elektronik die Leitungslängen erkennen und dementsprechend die Sendeleistung der jeweiligen Ports anpassen. Laut Herstellerangaben kann der Stromverbrauch der Switches mit diesen Techniken um bis zu 75 % reduziert werden (vgl. Green networking in the data center; White Paper; HP). Daher ist der Einsatz von intelligenten Switches empfehlenswert. Nutzen Umsetzbarkeit Niedrig Hoch Einfach Schwierig

48 Optimierung der Kühlung Die aktive Hardware in einem Rechenzentrum produziert eine hohe Wärmelast, die abgeführt werden muss. Hierfür wird Klima- und Kältetechnik eingesetzt. In konventionellen Rechenzentren mit Luft als Kühlmedium ist die Klimatechnik für die Einstellung von Lufttemperatur und Luftfeuchte sowie die Verteilung der Luft im Serverraum zuständig, während die Kältetechnik die Aufgabe der Erzeugung von Kälte übernimmt. Beide Bereiche bieten ein sehr großes Einsparpotenzial, wobei vor allem bei den Maßnahmen im Bereich der Kältetechnik darauf zu achten ist, dass es sich hierbei um sehr langfristige Investitionen handelt und daher sehr genau geplant werden muss. Auf der Seite der Klimatechnik befindet sich eine Reihe von schnell umzusetzenden Maßnahmen, die die Energieeffizienz der Kühlung deutlich verbessern können. Nachfolgend werden einige Maßnahmen aus beiden Bereichen vorgestellt Kühlungsverfahren Laut der Studie des Green Grids ist die Kühlung und Klimatisierung der IT- Komponenten im Rechenzentrum zu 42 % für dessen Energieverbrauch verantwortlich (siehe Abbildung 6). Davon werden 33 % für die Erzeugung von kalter Luft bzw. kaltem Wasser verwendet. Der Rest entsteht durch die Klimatisierung der IT-Bereiche. Daher bietet das Kühlungsverfahren zahlreiche Ansatzpunkte, um die Energieeffizienz des Rechenzentrums zu verbessern. Da die Anschaffung der Kältetechnik in der Regel eine langfristige Investition darstellt, ist das Kühlungsverfahren in Abhängigkeit von den Anforderungen und Gegebenheiten (z. B. durchschnittliche Außentemperatur) zu wählen. Nachfolgend werden einige Möglichkeiten zur Kühlung beschrieben. Die meisten Kälteanlagen basieren auf den zwei Grundprinzipien: 1. Bei sinkendem Druck nimmt die erforderliche Temperatur zum Verdampfen einer Flüssigkeit ab. Beim Verdampfen einer Flüssigkeit wird Wärme entzogen. 2. Die zum Kondensieren (Verflüssigen) eines Gases erforderliche Temperatur nimmt bei steigendem Druck immer weiter zu. Beim Kondensieren eines Gases wird Wärme abgegeben. Kompressionskälteanlage In konventionellen Rechenzentren wird die Kälte für die Klimatisierung des Server- Raums mittels einer Kälteanlage mit elektromotorischem Kompressor erzeugt. Das Prinzip ist identisch wie beim Kühlschrank, lediglich die Dimensionen sind größer. Ein Kältemittel wird auf einem niedrigen Druckniveau verdampft. Dabei nimmt das Kälte-

49 49 mittel Wärme auf. Auf diese Weise wird der Umgebung Wärme entzogen und abgekühlt. Das verdampfte Kältemittel wird auf einem höheren Druckniveau wieder verflüssigt, wobei Wärme freigesetzt wird. Ein Kältekompressor (z. B. Hub- oder Rollkolben und Scrollverdichter) verdichtet durch den Einsatz von mechanischer Energie das gasförmige Kältemittel und leitet es in den Kondensator. Im Kondensator wechselt der Aggregatzustand von gasförmig zu flüssig. Bei diesem Prozess wird Wärme abgegeben. In der Regel befinden sich daher die Kondensatoren auf dem Dach oder an der Seite des Rechenzentrums. Das flüssige Kältemittel wird im Verdampfer bei sehr niedrigem Druck über Rohrschlange gesprüht. Dabei verdampft das Kältemittel und entzieht der Flüssigkeit in den Rohrschlangen Wärme, wodurch sich die Flüssigkeit abkühlt. Um das niedrige Druckniveau im Verdampfer aufrechtzuerhalten muss der Kältemitteldampf ständig dem Verdampfer entzogen werden. Dies geschieht durch den Kältekompressor, der das Kältemittel anschließend wieder verdichtet. Abwärme Kondensator Dampf Elektrische Energie Kältemitteldrossel Verdichter Nutzkälte Verdampfer Dampf Flüssiges Kältemittel Dampfförmiges Kältemittel Abbildung 13: Funktionsweise einer Kompressionskälteanlage Die Kältekompressoren sind für den Großteil des Energieverbrauchs im Rechenzentrum verantwortlich. Daher verfügen die Kompressoren üblicherweise über eine dedizierte Stromversorgung und werden bei Netzausfällen von einem unabhängigen Generator versorgt. Um den Stromverbrauch bei der Kälteerzeugung zu reduzieren, ergeben sich verschiedene Ansatzpunkte. Die Hersteller von Kälteanlagen berücksichtigen extreme Bedingungen und Variabilität der Kühllast. Diese Anforderungen haben allerdings dazu geführt, dass die Kältekompressoren oft zu groß und damit ineffizient im Betrieb sind. Daher ist auf eine anforderungsgerechte Dimensionierung der Anlage zu achten. Daneben ist die Effizienz der

50 50 Kompressoren von unterschiedlichen Herstellern zu berücksichtigen. Gute Kompressoren haben unter anderem sehr geringe Reibungsverluste an den Lagern, können ihre Leistung fast stufenlos regeln und zeichnen sich durch schnelle An- und Ausschaltzeiten aus. Oft kommen auch mehrere, kleinere Kompressoren zum Einsatz, die über eine unabhängige Stromversorgung verfügen. Dieser Ansatz bietet oft einen angemessenen Kompromiss zwischen Redundanz und Effizienz. Das einfachste Mittel zur Energieeinsparung ist, die Betriebszeit der Kältekompressoren zu minimieren. Eine Möglichkeit ist, die Kältemittel vorzukühlen, um den Strombedarf für die Absenkung der Temperatur zu reduzieren. Hier kommen vor allem Lösungsansätze aus dem Bereich der Freien Kühlung zum Einsatz (siehe Kapitel ). Absorptionskälteanlagen Absorptionskälteanlagen liegt das gleiche Prinzip zugrunde wie der Kompressionskälteanlage. Allerdings erfolgt die Energiezufuhr zur Erreichung der erforderlichen Kondensationstemperatur nicht durch mechanische Energie im Kälteverdichter, sondern durch die Zufuhr von Wärmeenergie im Austreiber. Daher wird auch von einem thermischen Verdichter gesprochen. In der Regel erfolgt der Einsatz von Wasser als Kältemittel. Das Wasser wird im Verdampfer bei sehr niedrigem Druck über Rohrschlange gesprüht. Dabei verdampft das Wasser (bei ungefähr 3 C) und entzieht der Flüssigkeit in den Rohrschlangen Wärme, wodurch sich die Flüssigkeit abkühlt. Um das niedrige Druckniveau im Verdampfer aufrechtzuerhalten muss der Kältemitteldampf ständig dem Verdampfer entzogen werden. Hierfür wird das gasförmige Kältemittel in einem konzentrierten Lösungsmittel (in der Regel Ammoniak) gebunden, d.h. absorbiert. Dies geschieht im sogenannten Absorber. Da das Lösungsmittel nach der Aufnahme einer bestimmten Menge an Kältemitteldampf gesättigt wäre muss der Lösung ständig Kältemittel entzogen werden. Dazu wird die verdünnte Lösung in den sogenannten Austreiber gepumpt. Im Austreiber wird das Kältemittel bei hohem Druck und hoher Temperatur aus dem Lösungsmittel ausgekocht. Das wieder konzentrierte Lösungsmittel wird in den Kreislauf zurückgeführt und der Kältemitteldampf in den Kondensator geleitet. Im Kondensator wird das Kältemittel wieder verflüssig. Bei diesem Prozess wird Wärme abgegeben, die z.b. mittels Kühlkreisläufen und Kühltürmen abgeführt werden muss. Das auf das Ausgangsniveau herabgekühlte Kältemittel kann anschließend wieder in dem Verdampfer zugeführt werden.

51 51 Abwärme Kondensator Dampf Austreiber Thermische Energie Kältemitteldrossel Lösungsmitteldrossel Nutzkälte Verdampfer Dampf Absorber Abwärme Flüssiges Kältemittel Lösungsmittel verdünnt / konzentriert Abbildung 14: Funktionsweise einer Absorptionskälteanlage Absorptionskälteanlagen haben in der Regel gegenüber Kälteanlagen die mit einem mechanischen Verdichter arbeiten oft einen höheren Energieverbrauch. Daher haben Absorptionskälteanlagen einen schlechteren Wirkungsgrad als Verdichtungskälteanlagen. Aus diesem Grund sollte bei dem Einsatz von Absorptionskälteanlagen darauf geachtet werden, dass Wärme im ausreichenden Maße und kostengünstig zur Verfügung steht. Um den Energieverbrauch bei der Kälteerzeugung zu senken, ist für die Zufuhr von Wärme der Einsatz von Abwärme eines Blockheizkraftwerkes, Fernwärme oder solar erzeugter Wärme von Vorteil. Vor allem in den heißen Sommermonaten erzeugen viele Kraftwerke Wärme, die nicht benötigt wird. Sorptionsgestützte Klimatisierung Eine weitere Möglichkeit zur Kühlung von Luft ist die Verwendung von sorptionsgestützten Klimaanlagen. Diese Klimaanlagen arbeiten ohne große Drücke oder Gefahrenstoffe. Die Kühlung wird nur durch einen Wärmetauscher und mittels Befeuchter, die nach dem Verdunstungsprinzip arbeiten, realisiert. Bei der sorptionsgestützte Klimatisierung wird die Außenluft eingesaugt und durch ein Sorptionsrad geleitet, das die Luft entfeuchtet, in dem die Feuchtigkeit an der Oberfläche gebunden wird (1). Bei der Entfeuchtung der Luft wird diese leicht erwärmt. Die

52 52 trockene, warme Luft wird anschließend im Wärmerückgewinnungsrotor (WRG- Rotor) vorgekühlt (2). Die Luft wird in einem Befeuchter nach dem Verdunstungsprinzip auf die geforderte Zulufttemperatur und -feuchte herunter gekühlt (3). Diese nun hinsichtlich Temperatur und Feuchte konditionierte Luft wird dem Raum über einen Ventilator (4) zugeführt. Die konditionierte Luft wird im Rechenzentrum durch die aktive Hardware erwärmt und über Abluftkanäle in einen zweiten Befeuchter geleitet und abgekühlt (5). Das ist erforderlich, um eine größere Temperaturdifferenz zur Wärme- oder Kälterückgewinnung im Wärmerückgewinnungsrotor (6) zu erreichen. Der Zuluftstrom hat seine thermische Energie an den WRG-Rotor abgegeben. Diese Energie wird nun vom Abluftstrom wieder aufgenommen. Damit wird einerseits der Abluftstrom, der als Regenerationsluftstrom für den Sorptionsrotor genutzt wird, erwärmt und andererseits dem WRG-Rotor thermische Energie entzogen. Der Abluftstrom wird weiter durch einen Regenerationslufterhitzer erwärmt (7). Zuletzt wird die erhitze Luft durch den Sorptionsrotor geleitet, um diesen wieder zu entfeuchten (8). Regenerationslufterhitzer Befeuchter Fortluft Abluft Gebäude Aussenluft Zuluft Gebäude Sorptionsrotor WRG-Rotor Abbildung 15: Funktionsweise einer sorptionsgestützten Klimatisierung Bei diesem Verfahren kommt in der Regel nur elektrische Energie für die Ventilatoren und die Rotoren zum Einsatz. Für das Erwärmen der Temperatur im Regenerationslufterhitzer sollten vor allem Fernwärme, Solarkollektoren oder andere energieeffiziente Wärmequellen zum Einsatz kommen, damit dieses Kühlungsverfahren Energie spart. Dadurch verbrauchen solche Anlagen wesentlich weniger Energie als Kompressionskälteanlagen. Allerdings kann der Einsatz nur dort erfolgen, wo moderate Kühlleistungen ausreichen.

53 53 Adsorptionskälteanlagen Als Adsorption wird in der Verfahrenstechnik das Anlagern eines Stoffes (hier Wasser) an einen Feststoff (Adsorbens) bezeichnet. Dementsprechend ist die Desorption das Lösen eines Stoffes aus einem Feststoff. Daher funktioniert die Adsorptionskälteanlage im Grunde genau wie eine Absorptionskälteanlage, nur mit dem Unterschied, dass der Prozess nicht kontinuierlich ist, da das Sorptionsmittel in fester Form nicht umgewälzt werden kann. In einer Adsorptionskälteanlage laufen in der Regel der Adsorptions- und Desorptionsprozess parallel ab, um eine möglichst gleichbleibende Kühlleistung zu erzielen. Beim Adsorptionsprozess (siehe Abbildung 16) läuft das zu kühlende Medium in Kühlschlangen durch einen Verdampfer, der unter Unterdruck steht. Die Kühlschlangen werden von außen mit dem Kältemittel (hier Wasser) berieselt. Das Kältemittel verdampft und entzieht dem zu kühlenden Medium die Wärme. Um den niedrigen Druck im Verdampfer aufrechtzuerhalten, wird der entstehende Kältemitteldampf an dem Adsorbens in der Adsorberkammer gebunden. Dieser Prozess läuft solange, bis der Adsorbens gesättigt ist. Die bei der Adsorption des Kältemitteldampfes am Adsorbens entstehende Kondensationswärme wird in der Regel über einen Kühlwasserkreislauf abgeführt. Adsorber Verdampfer Abbildung 16: Adsorptionsprozess Beim Desorptionsprozess (siehe Abbildung 17) wird die Desorberkammer vom Heizwasser durchströmt, so dass das dort am Adsorbens angelagerte Kältemittel ausgetrieben wird. Der so entstehende Kältemitteldampf wird in die Kondensationkammer geleitet und dort mit Hilfe von Kühlkreisläufen wieder verflüssigt. Der Prozess ist abgeschlossen, wenn das Kältemittel vollständig ausgetrieben wurde.

54 54 Kondensator Desorber Abbildung 17: Desorptionsprozess Anschließend werden die Aufgaben der Adsorber- und Desorberkammer getauscht und beide Prozesse laufen wieder parallel ab. Hier ist zu erkennen, dass Adsorptionskälteanlagen diskontinuierlich arbeiten (siehe Abbildung 18). Kondensator Kondensator Adsorber Desorber Desorber Adsorber Verdampfer Verdampfer Abbildung 18: Funktionsweise einer Adsorptionskälteanlage Wie schon bei der Absorptionskälteanlage ist auch bei der Adsorptionskälteanlage der Energieverbrauch höher, als bei vergleichbaren Kompressionskälteanlagen. Durch den schlechteren Wirkungsgrad lohnt sich die Lösung nur, wenn die Wärme für die Desorption durch energieeffiziente Weise erzeugt oder durch freie Kapazitäten (z. B. nicht genutzt Wärme von Kraftwerken) zur Verfügung steht, damit das Verfahren zu Einsparungen beim Energieverbrauch für die Kühlung führt.

55 55 Dampfstrahlkälteanlagen Den Dampfstrahlkälteanlagen liegt das gleiche Prinzip zugrunde wie Kompressionskälteanlagen. Bei der Dampfstrahlkälteanlagen wird anstatt eines mechanischen Verdichters ein Dampfstrahlverdichter eingesetzt, der thermisch angertrieben ist. Der Verdichter saugt und verdichtet Niederdruckdampf durch einen Hochdruckdampfstrahl, wodurch auf der Niederdruckseite Verdampfungskühlung erzeugt werden kann. Hauptelement einer Dampfstrahlkälteanlage sind die Dampfstrahlverdichter. Durch eine Treibdüse tritt der Treibdampf aus dem Treibmittelkreislauf in den Dampfstrahlverdichter ein. Dabei wird in der Treibdüse die Druckenergie des Treibdampfes in Strömungsenergie umgesetzt und in der Mischkammer Kältemitteldampf aus dem Verdampfer angesaugt. Auf diese Weise entsteht im Verdampfer der benötigte Unterdruck und der dort entstehende Wasserdampf wird abgesaugt. Durch das Verdampfen des Kältemittels wird dem Kältemittelkreislauf Energie entzogen und abgekühlt. Das Dampfgemisch (Treib- und Kältemitteldampf) strömt mit hoher Geschwindigkeit in den Diffusor des Dampfstrahlverdichters, wo die Strömungsenergie des Mischdampfes wieder in Druckenergie umgesetzt wird, um den erforderlichen Druck zum Verflüssigen des Dampfes zu erzielen. Im Kondensator verflüssigt sich der Wasserdampf. Die entstehende Kondensationswärme wird an einen Rückkühlkreislauf abgegeben. Das Kondensat fließt, entsprechend des Anteils, der aus dem Verdampfer abgesaugten Wassermenge, wieder zurück. Der Rest wird dem Kreislauf zur Erzeugung des Treibmitteldampfes zugeführt. Treibdüse Mischkammer Treibdampf Verdampfer Nutzkälte Abbildung 19: Dampfstrahlverdichter und Verdampfer. Der Dampfstrahlverdichter erzeugt den notwendigen Unterdruck im Verdampfer

56 56 Wie bei allen thermisch angetriebenen Kältemaschinen ist der Wirkungsgrad nicht so hoch wie bei Kälteanlagen mit Kältekompressoren. Daher ist der Einsatz nur dann energetisch sinnvoll ist, wenn Abdampf in ausreichender Menge energieeffizient (z. B. durch freie Wärme von Kraftwerken) zur Verfügung steht. Nutzen Umsetzbarkeit Niedrig Hoch Einfach Schwierig Kühlmedien Zum Transport der Wärme in Rechenzentren können unterschiedliche Kühlmedien verwendet werden. Vor allem Flüssigkeiten eignen sich aufgrund ihrer Eigenschaft sehr gut, Wärme zu speichern. Trotzdem wird in vielen Rechenzentren Luft zur Kühlung der Hardware eingesetzt, weil die Luft einfach im Serverraum verteilt werden kann. Flüssige Kühlmedien werden vor allem im Rückkühlkreislauf eingesetzt. Hier kommen in der Regel die Kühlmedien Wasser, Kältemittel oder Kohlendioxid zum Einsatz (vgl. Energieeffizienz im Rechenzentrum: Ein Leitfaden zur Planung, zur Modernisierung und zum Betrieb von Rechenzentren ; BITKOM). Die Auswahl hängt von unterschiedlichen Faktoren ab, unter anderem dem Anwendungsfall und örtlichen Gegebenheiten. Wasser Wasser hat den Vorteil gegenüber Luft, dass es Wärme ca Mal besser speichern kann. Trotzdem kommt es vor allem nur im Rückkühlkreislauf zum Einsatz, obwohl auch der Einsatz im Serverraum zu hohen Energieeinsparungen führen kann. Ein Grund hierfür ist die Angst vor Undichtigkeiten und den damit verbundenen Beschädigungen der Hardware. Allerdings sind die Vorbehalte gegen Wasser als Kühlmedium aufgrund der technischen Entwicklung in den letzten Jahrzehnten als unbegründet erwiesen (vgl. Energieeffizienz im Rechenzentrum; Band 2; BITKOM). Durch den Einsatz moderner Pumpen, die stufenlos regelbar sind, kann durch eine an die aktuellen Bedürfnisse angepasste Steuerung der Drehzahl der Pumpe der Energieverbrauch gesenkt werden. Darüber hinaus bietet Wasser den großen Vorteil, dass es günstig und so gut wie überall verfügbar ist. Zudem ist Wasser nicht brennbar oder explosiv, und es ergeben sich für die Betreiber keine Probleme bei der Entsorgung. Durch den Einsatz von Wasser kann bei niedrigen Außentemperaturen die Freie Kühlung zur Senkung des Energieverbrauchs verwendet werden.

57 57 Kältemittel Bei Kältemitteln kann zwischen synthetischen und natürlichen Mitteln unterschieden werden. Synthetische Kältemittel sind in der Regel chemisch erzeugte Stoffe oder Stoffverbindungen, die sich durch einen besonders niedrigen Siedepunkt auszeichnen. Sie kommen vor allem in Kältemaschinen zum Einsatz. In den letzten Jahren wird in der Kältetechnik aufgrund ökologischer Aspekte und wegen der Probleme bei der Entsorgung der Mittel versucht, auf die Verwendung von synthetischen Kältemitteln zu verzichten oder auf ein Minimum zu reduzieren. Ersetzt werden sie durch natürliche Kältemittel, wie z. B. Wasser, Ammoniak oder Kohlendioxid. Ammoniak kommt vor allem bei Absorptionskältemaschinen zum Einsatz (siehe Kapitel 2.2.1). Kohlendioxid Kohlendioxid war ein gebräuchliches Kältemittel, das durch die Einführung synthetischer Kältemittel stark an Bedeutung verlor. Erst seit den 90er-Jahren ist Kohlendioxid wieder interessant. Die Vorteile von Kohlendioxid sind: Es besitzt im Vergleich zu Wasser ein wesentlich besseres Speichervolumen, wodurch der Querschnitt der Rohrleitungen entsprechend kleiner ausfallen kann. Der Energieaufwand für den Transport des Mediums von der Kältemaschine zur Wärmelast ist gering. Es schädigt nicht die Ozonschicht. Im Unterschied zu Ammoniak ist Kohlendioxid weniger giftig. Die Nachteile von Anlagen, die Kohlendioxid als Kältemittel einsetzen, stellen die relativ hohen Betriebsdrücke dar und die hohen Investitionskosten Kühlgerätearten In den vorangegangen Abschnitten wurden die unterschiedlichen Arten zur Erzeugung von Kälte für ein Rechenzentrum beschrieben. Um diese Strategie energieeffizient umzusetzen sind entsprechende Klimageräte erforderlich, die die erzeugte Kälte in den Serverraum abgeben bzw. die Wärme dem Raum entziehen. Generell kann unterschieden werden zwischen Präzisions- und Komfortklimageräten. Daneben existieren noch weitere Lösungen wie direkt wassergekühlt Racks (siehe Kapitel ), Reihenkühlgeräte oder auch herstellerspezifische Sonderlösungen, die alle eine spe-

58 58 zielle Form der Präzisionsklimageräte sind. In der Regel haben alle gemein, dass sie sowohl mit Kaltwasser oder Kältemittel betrieben werden können. Komfortklimageräte Komfortklimageräte werden vor allem für die Kühlung von kleinen Räumen eingesetzt und schaffen dort Behaglichkeit für Menschen. Sie sind nicht für den Einsatz in Serverräumen konzipiert worden und sollten dort auch nicht installiert werden. Die Leistung von Klimageräten setzt sich aus einer sensiblen und latent erbrachten Kühlleistung zusammen. Die sensible Kühlleistung ist diejenige, die vom Gerät zur Kühlung der Luft ohne Feuchteausscheidung, also bei gleichbleibender Luftfeuchtigkeit, erbracht wird. Die latente Kühlleistung ist diejenige, die vom Gerät durch Taupunktunterschreitung der feuchten Luft erbracht wird. Dadurch werden Anteile des in der feuchten Luft enthaltenen Wasserdampfes durch Kondensation ausgeschieden und somit die Luft entfeuchtet. Bei Komfortklimageräten wird ein hoher Anteil an latenter Kühlleistung erbracht und damit Energie (teilweise bis zum 50 %) für die Entfeuchtung verbraucht. Zusätzlich muss, um die Luftfeuchtigkeit auf dem angestrebten Niveau zu stabilisieren, Energie für Luftbefeuchter eingesetzt werden. Somit wird ein großer Anteil der Energie nur für die Ent- und Befeuchtung der Luft verwendet. Daneben filtern und wälzen diese Klimageräte in der Regel nur eine sehr geringe Luftmenge um und weisen in der Regel nicht die notwendigen Regelungsmöglichkeiten (Luftfeuchtigkeit, Raumtemperatur, Luftführung und Luftverteilung) auf. Dadurch kann es zu großen Schwankungen bei z. B. der Luftfeuchtigkeit und Temperatur kommen. Zudem haben Komfortklimageräte einen schlechten Wirkungsgrad bezüglich der sensiblen Kühlleistung. Abbildung 20: Optimale Luftverteilung Luftfilterung mit Präzisionsklimageräten

59 59 Präzisionsklimageräte Präzisionsklimageräte (nachfolgende auch Umluftkühlgeräte oder Computer Room Air Conditioning (CRAC) bezeichnet) sind eigens für Rechenzentren entwickelt worden und erfüllen durch die Steuerung mittels Mikroprozessoren die hohen Anforderungen an eine exakt geregelte relative Luftfeuchtigkeit, Raumtemperatur, Luftführung und Luftverteilung. Dabei schaffen es Präzisionsklimageräte, mehr als 95 % der eingesetzten Energie ausschließlich in Kühlleistung umzuwandeln. Bei der Wahl eines energieeffizienten Präzisionsklimageräts ist auf die Dimensionierung des Wärmetauschers zu achten. D. h. das Verhältnis der Luftmenge zur Wärmetauscheroberfläche muss optimiert werden, damit die Entfeuchtungsleistung so gering wie möglich ist und dadurch eine sehr hohe latente Kühlleistung erreicht wird. Präzisionsklimageräte schaffen es, dreimal so viel Luft zu filtern und um zu wälzen wie Komfortklimageräte mit gleicher Leistung und können damit punktuelle Wärmelasten aus entferntesten Ecken zuverlässig abtransportieren. Durch zu eine zu hohe Luftfeuchtigkeit kann es zu Kondensat und Korrosion an den Geräten und Bauteilen im Rechenzentrum kommen. Bei einer zu niedrigen Luftfeuchtigkeit steigt die Gefahr von statischen Aufladungen, die zu Datenverlust und Hardwareschäden führen können. Daher sind die Klimageräte mit Luftbefeuchtern (siehe Kapitel ) ausgestattet, die die eingestellte Feuchtigkeit sehr genau halten. Nutzen Umsetzbarkeit Niedrig Hoch Einfach Schwierig Analyse des Luftstroms In konventionellen Rechenzentren wird zur Kühlung der IT Luft als Kühlmedium verwendet. Dabei können der Aufbau des Doppelbodens, die Installierung perforierter Doppelbodenplatten, die Aufstellung der Rechnerschränke, die Position der Kühlungssysteme und Schächte den Luftstrom im Serverraum eines Rechenzentrums beeinflussen. Ein fehlgeleiteter Luftstrom kann die Effizienz der Kühlung negativ beeinflussen und sogar zu Ausfällen von Komponenten wegen Überhitzung (Hotspots) führen. Um den Luftstrom sichtbar zu machen und so mögliche Schwachstellen aufzudecken, können computerbasierte Luftstromanalysen (Computational Fluid Dynamics, CFD)

60 60 durchgeführt werden. Damit ist es unter anderem möglich, das Luftvolumen, die Strömungsgeschwindigkeit, den Luftfluss sowie die Temperatur in den einzelnen Räumen darzustellen (siehe Abbildung 21). Abbildung 21: CFD-Modellierung (Quelle: IBM) Die Anwendung der CFD-Modellierung zur Optimierung der Luftströme bzw. zur Energieeinsparung wird von der staatlichen amerikanischen Environmental Protection Agency empfohlen. CFD kann für unterschiedliche Zwecke angewandt werden, unter anderem zum: Aufspüren von unerwünschten Kaltluftaustritten, z. B. im Doppelboden, Aufzeigen von Luftkurzschlüssen zwischen Warm- und Kaltgang, Darstellen, ob die Kaltluft direkt und ohne Verlust an die Wärmequellen geführt wird, Aufdecken von Konstruktionsfehlern an Gebäuden, Designen von Rechenzentren und zum Modellieren der Luftströme in den Geräten, Analysieren der Luftzirkulation außerhalb des Gebäudes, um den optimalen Standort für Komponenten der Kühlung zu ermitteln. Mit dem Einsatz einer Luftstromanalyse lassen sich fehlgeleitete Luftströme und unbeabsichtigte Luftlöcher entdecken und dadurch Energie sparen. Laut einer Studie des Uptime Institute nutzen 47 Prozent der Anwender CFD, um den Energieverbrauch des Rechenzentrums durch resultierende Maßnahmen zur Beseitigung von Mängeln zu verringern.

61 61 Nutzen Umsetzbarkeit Niedrig Hoch Einfach Schwierig Temperatur-Monitoring Die Erfassung und Visualisierung der Temperaturverteilung im Serverraum ist unter anderem für die Eliminierung von Hot-Spots und die Steuerung der Klimaanlage wichtig. Um Hot-Spots zu beseitigen, können unter anderem der Luftstrom geändert und die Temperatur im Serverraum gesenkt werden. Allerdings ist diese nicht immer die energieeffizienteste Lösung. Oftmals hilft schon die Verteilung von Servern mit einer hohen Leistungsaufnahme in kühlere Racks. Auf diese Weise kann ein ausgeglichenes Temperaturniveau im Serverraum erreicht werden, was den Energieverbrauch senkt und die Verfügbarkeit verbessert. Des Weiteren stellt das Temperatur- Monitoring die Grundlage für viele Maßnahmen zur dynamischen Steuerung von Geräten, z. B. der Klimaanlagen, dar. Daher sollte eine flächendeckende, dauerhafte Temperaturaufzeichnung und -Auswertung erfolgen, um die Ventilatoren, Kälteanlagen, Pumpen, usw. entsprechend der aktuellen Gegebenheit energieoptimiert zu steuern. Abbildung 22: Temperaturverteilung im Rechenzentrum mit Hot-Spots (Quelle: IBM) Warm- und Kaltganganordnung In vielen Rechenzentren wird zur Kühlung der Server die Raumluft verwendet. Bei dieser Art der Kühlung saugt der Server an der Frontseite konditionierte Luft an und

62 62 stößt sie an der Rückseite wieder aus. Die Racks, in denen die Server eingebaut sind, verfügen daher über gelochte Front- und Rücktüren zum Ansaugen und Ausstoßen der Luft (siehe Abbildung 23). Damit dieser Kühlungsansatz energieeffizient umgesetzt werden kann, ist es zwingend erforderlich, dass sich warme und kalte Luft nicht vermischen. Rack Frontseite Rückseite Abbildung 23: Luftdurchfluss im Rack Ein Lösungsansatz, um warme und kalte Luft zu separieren ist die Anordnung der Serverracks mit abwechselnden Warmgang und Kaltgang. Dabei werden die Serverracks Frontseite gegen Frontseite und Rückseite gegen Rückseite aufgestellt (siehe Abbildung 24). Die von Umluftkühlgeräten erzeugte kalte Luft wird in den Doppelboden geblasen, tritt an speziellen perforierten Doppelbodenplatten in den Servergang aus und wird dort von den Servern auf beiden Seiten des Gangs angesaugt. Dieser Gang wird als der Kaltgang bezeichnet. Die kalte Luft wird durch die Server erwärmt und auf der Rückseite des Serverracks wieder ausgeblasen. Dies geschieht auf beiden Seiten des Servergangs. Dieser Gang wird als Warmgang bezeichnet. In der Regel wird die warme Luft durch Umluftkühlgeräte, die sich am Warmgang befinden oder über eine Luftabführung an der Rechenzentrumsdecke angesaugt. Die Klimaanlagen kühlen die warme Luft wieder ab und pumpen sie wieder in den Doppelboden. Durch die Separierung von warmer und kalter Luft in den Gängen wird zum einen die Versorgung der IT-Hardware in den Racks mit Kaltluft verbessert. Zum anderen wird eine größere Temperaturspreizung zwischen den Gängen erreicht, und dies verbessert unter anderem die Effizienz der Umluftkühlgeräte. Denn durch eine große Spreizung der Temperatur zwischen Warm- und Kaltgang kann die für die Kühlung notwendige Luftmenge verringert werden und somit auch die für die Umwälzung erforder-

63 63 liche Energie. Weiterhin arbeiten Klimageräte nur effizient, wenn sie möglichst heiße Luft kühlen müssen. Daher ist darauf zu achten, dass der Warmgang auch wirklich heiß ist (siehe Kapitel ). Kaltluft Warmluft Abbildung 24: Anordnung Warmgang / Kaltgang Nutzen Umsetzbarkeit Niedrig Hoch Einfach Schwierig Einhausung von Kalt- und Warmgängen Beim Warmgang-/Kaltgangprinzip erfolgt die Kühlung der aktiven Hardware im Rack, indem kalte Luft an der Front angesaugt und nach erfolgter Kühlung als warme Abluft an der Rückseite ausgestoßen wird. Dabei kann die warme Luft über oder an den Flanken des Racks in den Kaltgang strömen (siehe Abbildung 25). Dadurch wird kalte Luft durch das Vermischen mit der warmen Luft erwärmt, was die Effizienz der Kühlung insgesamt verringert. Um den Betrieb der Hardware nicht zu gefährden muss dieser Effekt kompensiert werden, wofür meist in herkömmlichen Rechenzentren die Klimaanlage bei einer niedrigeren Temperatur eingestellt wird, was zu einem Anstieg des Energieverbrauchs führt.

64 64 Kaltluft Warmluft Abbildung 25: Beispiel für Bypässe und Rezirkulation von Luft Durch die Einhausung des Warm- oder Kaltgangs wird das Rezirkulieren der Warmluft verhindert, wodurch Vorteile des Warmgang-/Kaltgangprinzips gesteigert werden. Bei der Einhausung ist darauf zu achten, dass dies vollständig erfolgt, so dass es zu keinerlei Luftkurzschlüssen oder Durchmischungen der warmen und kalten Luft kommt. Daher wird üblicherweise der Warm- oder Kaltgang oben mittels Abdeckung und an den Stirnseiten durch Türen abgedichtet. Eine kostengünstige Alternative, die allerdings nicht den gleichen Wirkungsgrad hat, ist die Verwendung von speziellen Vorhängen. Bei beiden Lösungen ist darauf zu achten, dass die freien Räume (z. B. ungenutzte Höheneinheiten) im Rack mit Blindblenden versehen bzw. versiegelt werden und der Doppelboden abgedichtet ist. Durch die Einhausung können sich kalte und erwärmte Luft nicht vermischen; Warmluft strömt nicht in den Kaltgang und umgekehrt. Folglich wird die Kaltluft nicht erwärmt, bevor sie zu den Servern geführt werden kann. Bei dieser Methode ist die Temperatur der Warmluft höher als bei einer Lösung ohne Einhausung. Dieser Effekt lässt die Klimaanlagen effizienter betreiben, da sie wärmere Luft kühlen müssen. Die Umluftkühlgeräte können somit auf einem Optimum der thermischen Effizienz betrieben werden. Außerdem erlaubt die Einhausung von Warm- oder Kaltgang eine größere Temperaturspreizung und verringert so die für die Kühlung notwendige Luftmenge und somit auch die für die Umwälzung erforderliche Energie. Warmgang-Prinzip Bei der Einhausung des Warmgangs wird der Gang mittels Abdeckungen und Türen zum umgebenden Raum hin luftdicht abgeschlossen, wodurch sich die warme Luft im Inneren des Gangs konzentriert. Parallel zu den Racks werden leistungsfähige Reihenkühlungselemente (Inrow-Chiller) eingebaut, die dem Warmgang die erwärmte Luft entziehen, sie abkühlen und wieder nach außen in den Raum abgeben.

65 Kühlung Kühlung Kühlung Kühlung Kühlung Kühlung Kühlung Kühlung 65 Durch die Warmgangeinhausung werden sowohl Doppelboden als auch Geräte zur Raumklimatisierung überflüssig. Da kein Doppelboden mehr notwendig ist, können auch Räume mit einer niedrigeren Deckenhöhe als Rechenzentrum genutzt werden. Des Weiteren wird ein hoher Wirkungsgrad durch geringe Abstrahlungsverluste und kurze Luftkreisläufe erreicht. Allerdings geht durch die Reihenkühlungselemente wertvoller Stellplatz in den Rackreihen verloren. Rack Rack Rack Rack Rack Rack Rack Rack Rack Rack Rack Rack Abbildung 26: Positionierung der Kühlgeräte parallel zu den Racks bei Kalt- oder Warmgangeinhausung (vgl. Bitkom) Kaltgang-Prinzip Bei der Einhausung des Kaltgangs wird die kalte Luft durch die aktive Hardware erwärmt und frei in den Serverraum oder das Rechenzentrum abgegeben. Die in den umgebenden Raum abgegebene erwärmte Luft steigt nach oben an die Decke, wo sie anschließend über eine Luftabführung oder direkt mittels Umluftkühlgeräten abgesaugt, gekühlt und wieder über den Doppelboden in den Kaltgang zurückgeführt wird. Durch die Kaltgangeinhausung wird infolge der impulsarmen Zufuhr und homogenen Verteilung der Kaltluft vor den Servern ein hoher Wirkungsgrad erreicht. Außerdem können kostengünstige Umluftkühlgeräte eingesetzt werden, die keinen Stellplatz in der Rackreihe einnehmen. Allerdings ist für deren Einsatz ein Doppelboden erforderlich, der durch seine Dimensionierung die Kühlleistung beeinflusst. Um die Verwendung eines Doppelbodens zu umgehen, können auch hier, wie beim Warmgang, Inrow-Chiller, die parallel zu den Racks eingebaut werden, verwendet werden. Die Inrow-Chiller saugen die heiße Raumluft an, kühlen sie ab und blasen sie in den eingehausten Kaltgang. Die kühle Luft im Kaltgang wird von den Servern angesaugt, erwärmt und in den Raum abgegeben.

66 66 Abbildung 27: Kaltgangeinhausung Kaltluft Warmluft Nutzen Umsetzbarkeit Niedrig Hoch Einfach Schwierig Aufbau des Doppelbodens Der Doppelboden wird üblicherweise in Rechenzentren in Ständerbauweise oberhalb des Flächenbodens aufgebaut und erlaubt durch die Trockenbauweise die sofortige Nutzung nach dem Verlegen. Dabei erfüllt der Doppelboden unterschiedliche Aufgaben. Zum einen wird die von den Umluftkühlgeräten erzeugte Kaltluft mit hohem Druck durch den Doppelboden geblasen und strömt überall dort aus, wo es für die Kühlung der aktiven Hardware erforderlich ist. Zum anderen können in ihm die Versorgungsleitungen (Energie-, Daten- und Rohrleitungen) für die Racks untergebracht sein. Um den optimalen Einsatz des Doppelbodens zu gewährleisten, sind einige Punkte zu beachten. Richtige Dimensionierung des Doppelbodens Wenn der Doppelboden zur Kühlung genutzt wird, dann begrenzt die Höhe des Doppelbodens physikalisch das Luftvolumen, das theoretisch im Serverraum verteilt werden kann und limitiert somit die mögliche Kühlleistung für die Racks. Bei der Planung des Doppelbodens ist auf eine ausreichende Dimensionierung sowie auf Querschnittsverengungen zu achten. Bei einer falschen Dimensionierung kann es dazu kommen, dass die Klimaanlage verstärkt kalte Luft in den Doppelboden blasen muss, um die notwendige Kühlleistung zu erzeugen. Dies führt zur Steigerung des Energieverbrauchs. Es ist daher zu empfehlen, die Höhe des Doppelbodens schon bei der Planung so zu wählen, dass er ausreichend Platz für zukünftige Aufgaben oder Änderungen, z. B. bei der Verkabelung, bietet.

67 67 Das gleiche gilt für die Warmluftabführung, falls vorhanden, unter der Rechenzentrumsdecke. Kanalisierung und Führung der Kühlluft im Doppelboden Die Umluftkühlgeräte sind nicht selten direkt am Kaltgang aufgestellt und pumpen die Luft in den Doppelboden. Damit sich einströmende Luft nicht weitläufig im Doppelboden verteilt, sondern dahin kommt, wo sie gebraucht wird, sollte die Kühlluft im Doppelboden gelenkt werden. Hierfür können Begrenzer in den Doppelboden eingezogen werden. Mit ihnen kann der Abfall der Strömungsgeschwindigkeit der Luft und des Luftdrucks vermindert werden, was die Kühleffizienz erhöht und damit den Energieverbrauch der Kühlgeräte verringert. Optimale Kühlluftführung vom Doppelboden in den Kaltgang Der Kaltgang wird über den Doppelboden mit konditionierter Luft versorgt, um die in den Racks untergebrachte Hardware zu kühlen. Hierfür werden die Doppelbodenplatten im Kaltgang durch spezielle perforierte Doppelbodenplatten ersetzt. Dabei ist es wichtig, dass die Größe der Perforation der Platten optimal ist. Daher ist auf die notwendige Luftmenge und die Geschwindigkeit der Luft nach dem Austritt aus den Bodenplatten zu achten. Eine zu kleine Perforation führt zu einer zu hohen Austrittsgeschwindigkeit und lässt die Luft an den IT-Komponenten vorbeiströmen, ohne sie zu kühlen. Zu große Perforationen führen zu einer zu niedrigen Geschwindigkeit, wodurch die Komponenten im oberen Teil des Racks nicht mehr mit ausreichend kalter Luft versorgt werden. Hier empfiehlt sich der Einsatz von Doppelbodenplatten mit regelbarem Querschnitt der Luftauslässe, um die bestmögliche Einstellung der Luftmenge zu ermöglichen Zusätzlich muss sichergestellt werden, dass die Platten so platziert sind, dass alle Racks und jede IT-Komponente mit ausreichend kalter Luft versorgt werden. Bei einem falsch ausgerichteten Kühlluftstrom kann es zu Überhitzungen und Ausfällen der IT-Hardware kommen, weil die Rack-Regionen nicht die benötigte kalte Luft erhalten. Abdichtung von Einlässen im Doppelboden Der Doppelboden kann neben den Luftauslässen durch die speziellen perforierten Doppelbodenplatten noch über weitere, nicht erwünschte, Auslässe verfügen. Durch diese Undichtigkeiten entweicht ungewollt Kaltluft und das ganze Luftstrommanagement wird gestört, was die Effizienz der Kühlung verringert und damit den Energieverbrauch der Kühlung erhöht. Die Undichtigkeiten entstehen auf der einen Seite durch

68 68 die Versorgungsleitung (Energie-, Daten- und Rohrleitungen) für die Racks und andererseits durch Schnittstellen zu anderen Bodenplatten und Wandelementen. An diesen Lecks im Doppelboden kann bis zu 63 Prozent der erzeugten Kühlluft entweichen und sind daher unbedingt abzudichten (vgl. Uptime Institut). Die bei den Bodenplatten entstehenden Fugen können mittels speziellen Materialien permanent abgedichtet werden. Zur Abdichtung der Doppelbodeneinlässen für Versorgungsleitungen gibt es Versiegelungslösungen, wie z. B. spezielle Bürstenleisten, die die Leitungen lückenlos umschließen und so ein Entweichen von Kühlluft verhindern. Reduzierung von Hindernissen im Doppelboden In vielen Rechenzentren sind im Doppelboden die Versorgungsleitungen untergebracht. Diese Leitungen können die Luftstromzirkulation stören und den zur Kühlung der IT-Hardware erforderlichen Luftdruck negativ beeinflussen. Daraus resultiert, dass die Umluftkühlgeräte verstärkt kalte Luft in den Doppelboden pumpen müssen, was den Energieverbrauch erhöht. Daher ist darauf zu achten, dass nur die notwendigen Leitungen verlegt werden, und dass es zu keinen hohen Kreuzungen kommt. Auch nicht mehr verwendete Leitungen sollten entfernt werden. Die Kühlungssysteme sollten die kalte Luft unter den Kaltgängen zuführen und die Leitungen unter den Warmgängen durchgezogen werden. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von Kabeltrassen an der Decke des Raumes. Aber auch hier ist die Zirkulation der Luft im Raum zu berücksichtigen. Nutzen Umsetzbarkeit Niedrig Hoch Einfach Schwierig Richtiger Aufbau des Racks Die richtige Dimensionierung des Racks und der korrekte Einbau der Komponenten haben unter anderem Einfluss auf die Effizienz der Kühlung und damit auf den Energieverbrauch. Bei der Auswahl des Racks spielt vor allem dessen Tiefe eine wichtige Rolle. So brauchen geschlossene Schrankkühllösungen naturgemäß eine größere Tiefe als offene, da bei der geschlossenen Lösung die Luft vor und hinter den Einbauten zirkulieren muss. Sowohl bei der offenen als auch geschlossenen Kühlung muss immer ausreichend Platz für die Verkabelung vorhanden sein und es sollte ein intelligentes Ka-

69 69 belmanagement zum Einsatz kommen, um den Luftstrom nicht zu behindern und damit eine energieeffiziente Kühlung zu ermöglichen. In einem Rack sollte nach Möglichkeit homogene Serversysteme arbeiten, wobei die Hardware mit der höchsten Energieaufnahme am besten unten und die mit der niedrigsten oben installiert wird. Vor allem bei der konventionellen Warmgang-Kaltgang- Anordnung ohne Einhausung erhalten die unteren Geräte mehr kalte Luft als die oberen. Auf diese Weise wird einerseits die Effizienz der Kühlung verbessert und andererseits dem Ausfall der Hardware durch Überhitzung vorgebeugt. Oft sind nicht alle Räume im Rack belegt. Durch diese offenen Stellen kann warme Luft rezirkulieren und sich mit der kalten Luft vermischen. Aus diesem Grund sind die nicht genutzten Höheneinheiten im Rack durch Blenden zu verschließen. Blenden Abbildung 28: Abdichtung von Höheneinheiten im Rack Nutzen Umsetzbarkeit Niedrig Hoch Einfach Schwierig Kühlen mit Flüssigkeit In konventionellen Rechenzentren wird Luft zur Kühlung der IT-Hardware verwendet. Das liegt zum einen an der kostengünstigen Anschaffung der Geräte für die Kühlung und zum anderen kann Luft für die Wärmeabführung einfach verteilt werden. Allerdings ist Luft nicht der beste Wärmeträger. Wasser kann im Vergleich zur Luft die Wärme Mal besser speichern. Somit ist Wasser ein wesentlich besseres Medium für den Wärmetransport. Nachfolgend werden zwei Möglichkeiten für den Einsatz der Wasserkühlung beschrieben. Direkte Kühlung des Prozessors

70 70 Um die vom Prozessor erzeugte Abwärme möglichst schnell vom Kern abzuführen, sitzen üblicherweise auf den Prozessoren Kühlkörper mit Lüftern. Der Kühlkörper vergrößert die wärmeabgebende Oberfläche und der Lüfter saugt die kalte Luft an und bläst sie über den Kühlkörper. Bei einer direkten Wasserkühlung werden diese Aufbauten durch eine Kupferkonstruktion ersetzt, die über Bohrungen das Kühlwasser an das Prozessorgehäuse heranführt. Anstatt über die Luft wird die Wärme nun über das Wasser abgeführt. Bei dieser Lösung ist es zwingend erforderlich, dass das Kühlsystem hermetisch abgedichtet ist, damit kein Wasser die Elektronikbauteile beschädigt. Bei der direkten Kühlung ist es wichtig, das Wasser so nah wie möglich an die Wärmequellen zu bringen. Je näher das Wasser an den Chips ist, desto besser kann die Wärme abtransportiert werden und umso höher kann die Wassertemperatur für die Kühlung sein. Moderne Prozessoren müssen stetig unter 85 Grad Celsius gekühlt werden. Durch den Einsatz einer direkten Wasserkühlung ist es möglich die Prozessoren mit einer Wassertemperatur von bis zu 60 C zu kühlen (vgl. IBM; Zero Emission Data Center). Damit können energieintensive Kältemaschinen eingespart werden und der Energieverbrauch sinkt gegenüber herkömmlichen luftgekühlten Systemen. Zusätzlich kann die Abwärme direkt, z. B. für die Beheizung anderer Gebäude, genutzt werden. Durch die Kühlung direkt auf den Prozessoren sind außerhalb der Racks keine speziellen Maßnahmen (z. B. Anordnung der Schränke) erforderlich, wodurch die RZ-Fläche besser genutzt werden kann, als bei der konventionellen Kühlung mit Luft. Dieser Lösungsansatz ist allerdings mit höheren Investitionskosten verbunden, als bei der herkömmlichen Luftkühlung. Zu dem müssen bei einem Ausfall der Kühlung die Server sofort abgestellt werden, um Schäden an den empfindlichen Serverleiterplatten und -mainboards durch Überhitzung zu vermeiden. Daher sollte die Kühlung unbedingt redundant ausgelegt sein. Außerdem ermöglicht die Redundanz, Wartungsarbeiten an dem Kühlsystem durchzuführen, ohne die Server im Rack abzustellen.

71 71 Abbildung 29: Direkte Wasserkühlung des Prozessors (Quelle: IBM Zürich Research Laboratory) Direkt gekühlte Server-Racks Neben der direkten Kühlung der Mikrochips im Rack besteht auch die Möglichkeit, das Rack direkt zu kühlen. Dafür wird in der Regel ein Luft-Wasser-Wärmetauscher im oder am Rack integriert. Üblicherweise befindet sich dieser ganz unten im Schrank oder seitlich am Rack in einem separaten Schrank, um bei einem Leck die IT- Komponenten zu schützen. Damit die Luft in einem geschlossenen Kreislauf zirkulieren kann, sind die Racks luftdicht konstruiert. Die Luft wird über den Luft-Wasser-Wärmetauscher abgekühlt und vor die Luftansaugung der IT-Komponenten geführt. Dabei ist es wichtig, dass eine Trennung zwischen warmer und kalter Seite im Rack erfolgt. Außerdem muss die Kaltluft gleichmäßig vor den IT-Komponenten verteilt werden, um Hot-Spots zu vermeiden. Die Kühlluft wird angesaugt, von der aktiven Hardware erwärmt und in den warmen Teil des Racks geblasen. Über den Luft-Wasser-Wärmetauscher wird die Luft dann wieder abgekühlt. Durch den sehr kurzen und gesteuerten Luftweg wird eine sehr hohe Kühlleistung erreicht, die auf die aktuellen Bedürfnisse der IT-Komponenten stufenlos abgestimmt werden kann. Zusammen mit den integrierten Lüftern kann der Energieverbrauch für die Luftumwälzung optimiert werden. Außerhalb des Racks sind keine speziellen Maßnahmen (z. B. Anordnung der Schränke) erforderlich, wodurch die RZ-Fläche besser genutzt werden kann als bei der konventionellen Kühlung mit Luft. Dabei ist zu beachten, dass die Racks mit integriertem Kühlsystem eine größere Tiefe haben als die normalen Racks, um einerseits ausreichend Luft für den Wärmetransport und anderseits Platz für die Zirkulation der Luft zur Verfügung zu stellen.

72 72 Bei der direkten Kühlung der Racks sollten die Geräte des Kühlsystems redundant ausgelegt werden, um Schäden durch Überhitzung zu vermeiden, und um Wartungsarbeiten zu ermöglichen, ohne die Server abzustellen. Nutzen Umsetzbarkeit Niedrig Hoch Einfach Schwierig Kühlungssystem näher an den Servern installieren Je größer der Weg bis zu den Serverschänken ist, umso mehr Energie verbrauchen die Ventilatoren der Kühlungssysteme. In Abhängigkeit vom Aufbau und der Gegebenheit des Serverraumes kann Energie eingespart werden, wenn die Kühlungssysteme näher an den Wärmequellen installiert werden. Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten, um die Kühlungssysteme näher an den Servern zu installieren, unter anderem: Inrow-Chiller: Die Umluftkühlgeräte werden parallel zu den Rackreihen installiert und blasen die kalte Luft direkt in Kaltgang. Ablaufkühlung auf dem Rack: Das Kühlsystem wird direkt über dem Serverschrank aufgestellt und zieht die warme Luft aus dem Warmgang, kühlt die Luft ab und bläst sie direkt wieder in den Kaltgang. Direkt gekühlt Racks: Die kalte Luft zirkuliert über die elektronischen Bauteile und wird zum Schluss mit einem Wärmeaustauscher mit Flüssigkeit gekühlt, der im oder am Rack installiert ist. Alle Varianten haben das Ziel, die Kühlung näher an den Wärmequellen zu installieren, um die Lüfterleistung, die zur Umwälzung der Luft benötigt wird, zu reduzieren und die Leistung des Kühlsystems besser an den Kühlbedarf anzupassen. Dadurch können größere Leistungsdichten realisiert und gleichzeitig Energie eingespart werden. Nutzen Umsetzbarkeit Niedrig Hoch Einfach Schwierig

73 Anwendung von Freier Kühlung Ziel der freien Kühlung im Rechenzentrum ist es, die durch die aktive Hardware erzeugte Wärme möglichst ohne zusätzlichen Energieeinsatz abzuführen. Dieses kann nur realisiert werden, wenn die Temperaturdifferenz zwischen Abwärme und Außenluft möglichst groß ist. Daher eignet sich der Einsatz insbesondere in kalten und gemäßigten Klimazonen. Das Kühlungssystem des Rechenzentrums wird durch entsprechende Anlagen erweitert oder sogar vollständig ersetzt. Hierbei kann zwischen einer direkten und indirekten freien Kühlung unterschieden werden. Direkte freie Kühlung Bei der direkten freien Kühlung wird neben den konventionellen Klimageräten ein zusätzlicher Kältekreislauf im Rechenzentrum aufgebaut. Über dieses Kanalsystem wird kalte Außenluft direkt in den Rechnerraum zur Kühlung der Hardware geleitet. Dadurch kann in Abhängigkeit von den Außentemperaturen teilweise oder vollständig auf den Einsatz der Kälteanlage verzichtet werden. Durch den Einsatz der direkten freien Kühlung entsteht ein zusätzlicher Energieaufwand für die Ventilatoren. Dazu muss die von außen zugeführt Luft gefiltert und falls notwendig be- oder entfeuchtet werden, wodurch weitere Energie verbraucht wird. Der Vorteil der direkten freien Kühlung gegenüber der indirekten freien Kühlung liegt in den höheren Nutzungszeiten. Hemmnisse beim Einsatz der direkten freien Kühlung sind der hohe Wartungsaufwand und die damit einhergehenden hohen Kosten für die Filteranlagen. Vor allem an staubbelasteten Standorten wird die Lebensdauer der Filter verkürzt und es kann zu Druckverlusten im Kanalsystem kommen. Des Weiteren ist zu beachten, dass für die Zuführung von Außenluft sehr große Kanäle erforderlich sind, die einen großen Raum einnehmen. Um den Einsatz der direkten freien Kühlung energetisch optimal zu gestalten, sollte unter anderem auf einen energieeffizienten Betrieb der Ventilatoren für den Ansaugund Ablufttrakt geachtet werden. Um Fehler in der Systemsteuerung zu vermeiden, sind die Sensoren für die Temperatur und Luftfeuchtigkeit im Raum mit ausreichendem Abstand von den Wärmequellen zu installieren. Die direkt zugeführte Kaltluft sollte von unten in den Raum geblasen werden, da sonst ein höherer Zuluftstrom erforderlich ist, was wiederum zu einem erhöhten Energieverbrauch der Ventilatoren führt.

74 74 Kaltluft Warmluft Abbildung 30: Direkte freie Kühlung Indirekte freie Kühlung mit Luft Die indirekte freie Kühlung ist die gängigste Variante zur Energieeinsparung im Rechenzentrum. Sie existieren schon seit mehr als 30 Jahren. Wie der Name schon sagt, wird bei diesem Lösungsansatz die Außenluft nicht direkt zur Kühlung der aktiven Hardware genutzt, sondern die Wärmelast wird über das gleiche Kältemittel abgeführt, das im Falle der Kühlung mit Kälteanlagen deren Verdampfer versorgt. Außerhalb des Gebäudes befinden sich Freikühlregister, in denen das Kältemittel wieder kondensiert bzw. abgekühlt wird. Dabei wird die Wärme an die Außenluft abgegeben. Im optimalen Fall (geringe Außentemperaturen) kann das Gesamtsystem die notwendige Kühlleistung vollständig durch die indirekt freie Kühlung realisieren. Stromintensive Kältemaschinen werden nur bei zu hohen Außentemperaturen zugeschaltet. Kaltluft Warmluft Abbildung 31: Indirekte freie Kühlung mit Außenluft Bei der indirekten freien Kühlung können zwei Möglichkeiten der Ausgestaltung unterschieden werden. Beim ersten Ansatz befördert eine Umwälzpumpe das Kältemittel direkt über einen Bypass vom Verdampfer in den Kondensator. Dies hat den Vorteil, dass bereits bei höheren Außentemperaturen das volle Potenzial der freien Kühlung genutzt werden

75 75 kann. Allerdings ist der Bedarf an Kältemittel durch das weitverzweigte Netz sehr groß, und die Gefahr von Lecks steigt. Daher ist dieser Ansatz in der Praxis eher selten zu finden. Üblicherweise wird in Rechenzentren der Ansatz verfolgt, dass die Kühlkreisläufe von freier Kühlung und Kompressorkälteanlage voneinander getrennt sind. Die Wärme bzw. Kälte wird über einen Wärmetauscher zwischen den beiden Kreisläufen ausgetauscht. Dabei können drei Betriebszustände unterschieden werden: Kompressorbetrieb: Bei hohen Außentemperaturen erfolgt die Kälteerzeugung durch die Kältekompressoren und Kondensatoren. Freikühlungsbetrieb: Bei niedrigen Außentemperaturen zirkuliert das Kühlwasser oder Wasser-Glykol-Gemisch im Freikühlregister und erzeugt ohne zusätzlichen Energiebedarf der Kältekompressoren die notwendige Kälte. Gleitender Mischbetrieb: Wenn aufgrund gestiegener Außentemperaturen die Wärmelast durch den Freikühlungsbetrieb nicht mehr abgeführt werden kann, wird der Kompressorbetrieb aktiviert. Die Kompressorlaufzeit wird auf ein Minimum reduziert, um möglichst lange den Freikühlungsbetrieb auszunutzen. Der gleitende Mischbetrieb zwischen Kompressor- und Freikühlungsbetrieb wird von speziellen Sensoren und Gerätereglern überwacht und gesteuert. Beim Einsatz der indirekten freien Kühlung sollte für einen energetisch optimalen Betrieb mit möglichst hohen Kaltwassertemperaturen gearbeitet werden, damit an möglichst vielen Tagen die freie Kühlung eingesetzt werden kann. Um Fehler in der Systemsteuerung zu vermeiden, sind die Sensoren für die Temperatur und Luftfeuchtigkeit im Raum mit ausreichendem Abstand von den Wärmequellen zu installieren. Indirekte freie Kühlung mit anderen Kühlmedien Neben der Möglichkeit Luft als Kühlmedium zu nutzen, können auch andere Quellen herangezogen werden. Vor allem überall dort, wo kaltes Wasser auf energieeffiziente Weise im ausreichenden Maße zur Verfügung steht, kann auch das Wasser sehr gut für die indirekte freie Kühlung verwendet werden. Hier gibt es Ansätze für die Verwendung von Kaltwasser aus Flüssen und Seen. Aber auch die Verwendung von Erdsonden, die ungefähr 15 m unterhalb der Oberfläche platziert werden, ist möglich. In dieser Tiefe herrschen durchschnittlich 8 bis 12 C. Alle diese Ansätze bieten den Vorteil gegenüber Luft als Kühlmedium, dass die Tempera-

76 76 tur keinen starken Schwankungen unterliegt und somit der Einsatz der freien Kühlung saisonunabhängig ist. Kaltluft Warmluft Abbildung 32: Indirekte freie Kühlung mit Erdsonden (Quelle: Weiss Klimatechnik GmbH) Nutzen Umsetzbarkeit Niedrig Hoch Einfach Schwierig Dynamische Leistungsregelung Zur Kühlung der Hardware in Rechenzentren werden klimatechnische Anlagen verwendet, die über eine Vielzahl von Komponenten (Umluftkühlgeräte, Kompressoren, Chiller, Rückkühler, Ventilatoren, usw.) verfügen. Um einen energieeffizienten und energieoptimierten Betrieb der Anlagen zu gewährleisten, muss die Leistung der einzelnen Komponenten geregelt und auf einander abgestimmt werden. Darüber hinaus spielt auch die Wahl der richtigen Komponenten eine wichtige Rolle. Monitoring Voraussetzung für eine intelligente Steuerung der Kühlung in einem Rechenzentrum ist die Überwachung und Auswertung der Betriebsparameter. Hierfür müssen Fühler und Sensoren in den unterschiedlichen Geräten und Stellen innerhalb und außerhalb des Rechenzentrums installiert werden. Dabei sollten unter anderem die folgenden Punkte erfasst werden: