Zukünftige Trends energieeffizienter, nachhaltiger Rechenzentren

Transkript

1 Zukünftige Trends energieeffizienter, nachhaltiger Rechenzentren 1

2 Agenda Rittal Das Unternehmen Marktentwicklung im RZ Umfeld Rittal Forschung und Entwicklung RZ - Technologie Trends CO 2 neutrale Rechenzentren Zusammenfassung 2

3 Rittal Übersicht Rittal Gründungsjahr 1961 Über Mitarbeiter weltweit Über 64 Tochtergesellschaften 11 Produktionsstätten Teil der Friedhelm Loh Group mit: Cideon, Eplan, Kiesling, LKH und Stahlo Produkte und Lösungen: Schaltschränke Stromverteilung Klimatisierung IT-Infrastruktur Software & Service 3

4 Rittal Übersicht USV-Systeme kw, 3-phasig RiZone Monitoring-Software für physische IT-Infrastruktur Sensornetzwerk Überwachung Verfügbarkeit & Transparenz Rack-, Raum-, Reihenkühlung Individuelle Kühlkonzepte Stromverteilung Komplett verdrahtet und berührungsgeschützt Server-Racks Großes Spektrum mit umfangreichem Zubehör IT-Chiller Netzwerkgehäuse Ganzheitliche Lösungen zur IT-Klimatisierung Netzwerkschränke IT-Wandgehäuse Verrohrung Sicherheitsräume Optimale Auslegung Schutz vor einer Vielzahl physikalischer Gefahren 4

5 Agenda Rittal Das Unternehmen Marktentwicklung im RZ Umfeld Rittal Forschung und Entwicklung RZ - Technologie Trends CO 2 neutrale Rechenzentren Zusammenfassung 5

6 Historische Perspektive Individuelle Rechenzentren von den ersten Anfängen Mehr als 50 Jahre einer Entwicklung von Entwurf und Architektur von RZs Individuelle Planung von großen Mainframe-RZs Kunden- und Hersteller spezifische Rechenzentren RZ EC1020 Humboldt University 1965 Planung und Architektur folgen der technischen Entwicklung von Servern, Speichern und Netzwerkkomponenten RZ TR440 University of Würzburg

7 Historische Perspektive Individuelle Rechenzentren bis heute Verschiedene Ebenen der Standardisierung: Komponenten und Schnittstellen Hersteller spezifische Systemlösungen Kunden individuelle RZ Planung Google data centre Douglas County Hohe Standardisierung innerhalb großer RZs Modulare RZs basieren meist auf Container Lösungen 1&1 data centre Lenexa, Kansas 7

8 Marktentwicklung Konzentration von RZs nimmt mit jedem Jahr zu. *

9 Marktentwicklung Das weltweite Datenvolumen verdoppelt sich alle 18 Monate. Data volume in Exabyte % % % % Year Intelligent Transportation Simulation Search Engines File Sharing Industrial Automation Social Media Industrial Buildings Cloud Computing Internet of Things Big Data 9

10 Marktentwicklung Energieeffizienz & Nachhaltigkeit als Teil der Green IT Policy Google

11 Marktentwicklung Energieversorgung vs. CO2-Neutralität Greenpeace 11

12 Marktentwicklung Time-to-market ist ein entscheidender Vorteil Modulares Design Big Data Energieeffizienz Cloud Computing Mobile Datennutzung Zuverlässigkeit Globale Vernetzung Flexible Lösungen Erhöhter Sicherheitsbedarf Wikipedia 2014 Neue Geschäftsmodelle der Kunden basieren auf flexiblen Cloud-Lösungen Verfügbarkeit der IT-Infrastruktur, Serversysteme und Applikationen ist zeitkritsch 12

13 Agenda Rittal Das Unternehmen Marktentwicklung im RZ Umfeld Rittal Forschung und Entwicklung RZ - Technologie Trends CO 2 neutrale Rechenzentren Zusammenfassung 13

14 Forschungsprojekt AC4DC Nachfrageorientierung, Geschäftsmodelle und Effekte Rechenzentrumsverbünde Dynamisches Lastmanagement RZ1 RZ2 RZ3 Rechenzentren Ganzheitlich optimierende Algorithmen Endgeräte Netze Systemmanagement Klimatisierung & Infrastruktur Umweltbedingungen, Nutzerverhalten, Energieversorgung Projektziele Systemmanagement Systemmanagement Systemmanagement Serverhardware Laufzeit Verteiltes Backup auf Arbeitsplatz PCs Planung Dienste & Betriebssysteme Vision Heute Schnittstellen, Integration, Evaluation und Transfer 14 14

15 Forschungsprojekt AC4DC RZ-Architektur, Kühltechnologie und Regelung 15 15

16 Forschungsprojekt AC4DC Test Rechenzentrum: Rittal Haiger Konfiguration USV und Stromverteilung 6 Serverschränke, 1 Netzwerkschrank 30 Loadbanks (Remotezugriff) Neues Kühlungssystem im Doppelboden Externe Kälteerzeugung(Chiller, freikühler, Glykol 33%) Aufgabenumfang Proof of Concept Messungen zur Erstellung der Datenblätter 16

17 Forschungsprojekt AC4DC Testrechenzentrum: Rittal Herborn Konfiguration Gespiegelte Installation (Double6) 2 x USV und PDR 2 x 6 Serverschränke, 2 x Netzwerkschränke Loadbanks Separate Klimazonen für Server- und Technikbereich Aufgabenumfang Messungen zur Erstellung der Datenblätter Dynamisches Verhalten: HPC Anwendung Separate Klimazonen bei einer Zulauftemperatur 17

18 Forschungsprojekt AC4DC Data Center Infrastructure Management (DCIM) Remoteansteuerung aller Loadbanks Automatisierte Testsequenzen durch programmierbare Workflows Datenerfassung aller aktiven Komponenten Auswertung und Analyse PUE, ppue, EER,, - Berechung 18

19 Forschungsprojekt AC4DC Data Center Infrastructure Management (DCIM) Server-out temperature (ºC) Delta p (Pa) IT load (kw) Flow rate (l/min) Fan speed (%) Server-in temperature (ºC) Infrastructure load (kw) Total load (kw) 19

20 Forschungsprojekt AC4DC Ausgezeichnete Effizienz hohe Effizienz der modularen USV hervorragende Effizienz des Zero U Space Cooling systems Water-in / Server-in-temperature, Delta-T / im ASHRAE-Bereich Kälteerzeugung Gewerke-übergreifende Regelung Exterior: 10 C Flow: 22 C Server supply air: 26 C PUE: < 1,1 Fan speed: < 61% delta T intake-side: < 18K 20

21 Forschungsprojekt AC4DC Gewerke-übergreifende Regelung Delta-T, Delta-P Gleitende Vorlauftemperaturen Übergreifende Regelung PUE KW 21

22 Forschung und Entwicklung Garantierter ppue 22

23 Forschung und Entwicklung Dynamisches Verhalten Ein- und Ausschalten ganzer Bladeserver-Farmen Lastwechsel z.b.: 30kWs zu 50kWs und umgekehrt Messung des Hystereseverhaltens zwischen Wassereinlauftemperatur und Serverzuluft Festlegung der Arbeitspunkte für HPC Anwendungen: Das RZ-Modul muss im ASHRAE Fenster bleiben, auch wenn komplette Serverfarmen geschaltet werden. 23

24 Forschung und Entwicklung Ausleitung eines Entwicklungsprojektes aus der Forschung 24 24

25 Forschung und Entwicklung RiMatrix S Server Module: Single9, Double9 Bis zu 90kW / 180kW (IT Last) n+1 Redundanz für Strom und Kühlung Eine Klimatisierungszone (Server) Platzsparende Klimatisierung im Doppelboden 8 Serverschränke 1 Netzwerk-/Serverschrank Unabhängige A& B Versorgung aller Schränke bei Anschaltung an zentrale USV-Systeme Double 9: das zweite Modul ist gespiegelt 25

26 Forschung und Entwicklung RiMatrix S Server Module: Single6, Double6 Bis zu 60kW / 120kW (IT Last) n+1 Redundanz in Strom und Kühlung Zwei separate Klimazonen für Server und Technikraum Platzsparende Klimatisierung im Doppelboden 6 Serverschränke 1 Netzwerkschrank USV, Batterie und Stromverteilung Double 6: das zweite Modul ist gespiegelt 26

27 Forschung und Entwicklung RiMatrix S Kühlungsmodule Freikühler 2 x redundante Chiller Pumpen inkl. Steuerung Rohrleitungssystem Kühlungskapazitäten bis zu: - 70kW - 100kW Effizienter Regelungsalgorithmus für Temperatur und Luftfeuchtigkeit (gemäß ASHRAE) Gewerke-übergreifende Regelung 27

28 Forschung und Entwicklung RiMatrix S Äußere Hülle / Einhausung Containerlösung für Single6 / Single9 Standard-Einhausung Sicherheitsräume für höhere Schutzwertigkeiten 1 Artikelnummer (inkl. Hülle) 6 Wochen Lieferzeit inkl. Installation und Inbetriebnahmen vollständige Dokumentation inkl. Bedienungsanleitung 28

29 Forschung und Entwicklung RiMatrix S Skalierbarkeit und Effizienz RiMatrix S Module skalieren zwischen 20kW bis zu 450kW Containerlösungen sind für Single6 und Single 9 begrenzt Alle Module (Single 6, Double6, Single9, Double9) besitzen vollständige Datenblätter Garantierter ppue Garantierter PUE, wenn zusätzlich das RiMatrix S Kühlungsmodul genutzt wird 29

30 Forschung und Entwicklung Data Center Infrastructure Management (DCIM) Erfassung und Visualisierung aller relevanten Parameter Alarm Management mit Benachrichtigung Anschluss an GLT / BMS über eine integrierte OPC- UA* Schnittstelle Vordefinierte Projekte / Konfigurationen für RiMatrix S Module *OPC = OLE (Object Linking and Embedding) for process control 30

31 Agenda Rittal Das Unternehmen Marktentwicklung im RZ Umfeld Rittal Forschung und Entwicklung RZ - Technologie Trends CO 2 neutrale Rechenzentren Zusammenfassung 31

32 RZ Technologie Trends ASHRAE Empfehlungen Temperatur C to 25C Recommended (Empfohlen) C to 27C Recommended (Empfohlen) C to 40C Allowable (Zulässig) Luftfeuchtigkeit to 55% - Recommended (Empfohlen) to 60% - Recommended (Empfohlen) to 80% - Recommended (Empfohlen) ASHRAE 2012 American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers January 2012 by Ron Hughes-Data Center Dynamics 32

33 RZ Technologie Trends Indirekte Freikühlung Vorteile: zwei getrennte Luftbereiche gezieltes Abführen großer Wärmemengen aus Hot-Spots Nachteile: Verluste der Wärmetauscher, Pumpen, Direkte Freikühlung Vorteile: Geringe Übertragungsverluste beim Transport der Kälte Hoher Wirkungsgrad EER Nachteile: Luftreinigung (Filter) Befeuchtung bzw. Entfeuchtung evtl. Backup-System für Spitzentemperaturen im Hochsommer 33

34 RZ Technologie Trends Direkte Freikühlung und Wärmerückgewinnung Datacenter4You Rechenzentrum der SWK Stadtwerke Kaiserslautern m² Grundfläche Direkte Freikühlung, Kühlleistung 150kW (PUE = 1,3) Erweiterbar bis zu 600 kw inkl. 200 kw für Hotspots Wärmerückgewinnung für die Beheizung eines in der Nähe gelegenen Warmfreibads Weitere Informationen: 34

35 RZ Technologie Trends Wärmerückgewinnung Prozessoren von Hochleistungsservern werden bei Temperaturen von C betrieben. In den meisten Rechenzentren werden Server durch einen Luftstrom abgekühlt. Innovative Lösungen für Hochleistungs-CPUs besitzen Kühlkörper mit Wasseranschluss. Es steht damit eine große Wärmemenge zur Verfügung, die in der Regel an die Umgebung (Außenluft) abgegeben wird, aber genutzt werden könnte. Wikipedia

36 RZ Technologie Trends Wärmerückgewinnung Im Falle der indirekten Freikühlung wird ein Medium (z.b. Wasser) zum Transport der Kälte und der Abwärme genutzt. Die Wärmemenge [Q] ist dabei abhängig von der Vorlauftemperatur [T V ], der Rücklauftemperatur [T R ] und der Menge des Wassers [m W ]). Es gilt: Q = m W C W (T V T R ) wobei C W der spezifische Wärmekoeffizient des Wassers ist. Umwandlung Nutzung als Wärme RZ- Abwärme Umwandlung Nutzung als Kälte 36

37 RZ Technologie Trends (1) Direkte Nutzung zur Büroklimatisierung Referenzen: Aufbau eines Supercomputers am Leibniz Institut München direkte CPU-Kühlung Wasservorlauftemperatur bis zu 40 C Wasserrücklauf bis zu 45 C Gesamtenergieverbrauch um 40% reduziert Nutzung der entstehenden Abwärme direkt für die Gebäudeheizung LRZ

38 RZ Technologie Trends (2) Nutzung mit Wärmepumpe Die Abwärme eines RZs liegt bei einer typischen Vorlauftemperatur von 18 C in Form von ca. 24 C warmen Wasser vor. Mit einer Wärmepumpe wird dem RZ-Kreis die Wärme entzogen und dieser wieder auf die Vorlauftemperatur gekühlt. Im Heizkreis wird durch die Wärmepumpe eine Temperatur von C bereitgestellt. Die Effizienz [COP] berechnet sich dann zu: COP = Q / W wobei W die benötigte elektrische Energie ist 1) Kondensator, 2) Drossel, 3) Verdampfer, 4) Kompressor Dunkelrot: Gasförmig, hoher Druck, sehr warm Rosa: Flüssig, hoher Druck, warm Blau: Flüssig, niedriger Druck, sehr kalt Hellblau: Gasförmig, niedriger Druck, kalt Wikipedia

39 RZ Technologie Trends (2) Nutzung mit Wärmepumpe Referenzen: Im RZ der Stadtreinigung Hamburg entsteht eine abzuführende Kühllast von 35 kw. Um die Abwärme für die Bürogebäude / Duschen nutzbar zu machen, wurde eine Hochtemperaturwärmepumpe mit einer Heizleistung von 48 kw eingebunden. Temperatur Sole-Aus-/Eintritt Wärmepumpe: 11 C / 15 C Temperatur Heizwasser-Aus- /Eintritt Wärmepumpe: 60 C / 47 C COP: 3,0 Benthack GmbH 39

40 RZ Technologie Trends (3) Nutzung zur Kälteerzeugung Um aus Abwärme Kälte zu erzeugen, kann ein Adsorptionsprozess genutzt werden. Als Kältemittel wird in der Regel Wasser genutzt, welches sich an porösen Materialien (Kohle, Zeolithe, Silikagel) bei niedrigen Temperaturen/niedriger Dampfdruck anlagert und bei hohen Temperaturen wieder freigegeben wird. Die beiden Adsorber werden dann zyklisch, wechselseitig betrieben. Die Prozesswärme muss > 60 C sein wikipedia

41 RZ Technologie Trends Referenzen: Aufbau eines Supercomputers an der ETH Zürich (AQUASAR) Direkte CPU-Kühlung, Micro- Channel, hochreines Wasser Wasservorlauftemperatur bis zu 60 C Wasserrücklauf bis zu 65 C Bei 65 C könnte bereits ein adiabatischer Prozess starten und aus der Abwärme Kälte erzeugen (3) Nutzung zur Kälteerzeugung ETH Zürich 41

42 RZ Technologie Trends Kombinierter Prozess Die Effizienz η eines Prozesses berechnet sich aus der Nutzleistung P N und der zugeführten Leistung P Z zu: η = P N / P Z = (P Z P V ) / P Z wobei P V die Verlustleistung ist In kombinierten Prozessen (Wärmepumpe η W, dann Adsorptionsprozessη A ) gilt für den Gesamtwirkungsgrad η G : η G = η W η A typischer Wirkungsgrad einer Wärmepumpe η W = 0,35 0,56 typischer Wirkungsgrad einer Adsorptionsmaschine η A 0,65 im besten Fall ergibt sich dann für den Gesamtwirkungsrad ein Wert η G = 0,36 Eine Kombination Wärmepumpe/Adsorptionsmaschine lohnt sich nicht, da der Gesamtwirkungsgrad eines solchen Systems zu klein wird. 42

43 RZ Technologie Trends Wechselstrom Die Verbraucher in einem RZ werden mit Wechselstrom versorgt. Vorteile: Etablierte Technologie Nachteile: Verluste durch AC/AC, AC/DC und DC / AC Wandler Gleichstrom Die Verbraucher in einem RZ werden möglichst durchgehend mit Gleichstrom versorgt Vorteile: Wandlungsverluste werden zu einem großen Teil vermieden Nachteile: Neue Technologie Gleichstromnetzteile oder Hybridnetzteile notwendig u.u. hohe Ströme in den Verteilersystemen bis in das Rack 43

44 RZ Technologie Trends Beispiel: greendatacenter Zürich-West Erstes Datacenter mit DC-Technologie Stromersparnis von 10 bis 20 Prozent im Vergleich zu Wechselstrom Platzersparnis Geringere Komplexität und höhere Ausfallsicherheit Niedrigere Betriebskosten Hervorragender PUE-Wert von 1.4 Energieoptimierte Datacenter- Architektur Abwärmenutzung im Bürogebäude 44

45 RZ Technologie Trends Beispiel: Facebook, Prineville The new data center, in Prineville, Oregon, covers 147,000 square feet and is one of the most energy-efficient computing warehouses ever built. The building is carefully positioned so that, during both winter and summer, prevailing winds deliver air to the intake vent seen here along the building s side Hostingtecnews.com Facebook

46 RZ Technologie Trends Beispiel: Facebook, Prineville Facebook

47 Agenda Rittal Das Unternehmen Marktentwicklung im RZ Umfeld Rittal Forschung und Entwicklung RZ - Technologie Trends CO 2 neutrale Rechenzentren Zusammenfassung 47

48 CO 2 neutrale Rechenzentren Beispiel: Green House Data 48

49 CO 2 neutrale Rechenzentren Beispiel: verneglobal - Island Unser qm großer Rechenzentrums-Campus liegt westlich von Reykjavik, der Hauptstadt Islands, nur Minuten vom internationalen Flughafen Keflavík und weniger als 50 km vom Großhafen Reykjavik entfernt. Die Anlage befindet sich auf dem ehemaligen NATO-Luftwaffenstützpunkt Keflavik Navel Air Station. Dieser Standort hat ein sehr niedriges Risiko für Naturkatastrophen und liegt weit westlich aller isländischen Vulkane und arktischer Winde. Die gesamte Anlage wird zu 100% mit erneuerbaren Energien versorgt und vollständig durch das kühle isländische Klima gekühlt - ohne Kaltwasseraggregate und Kompressoren. 49

50 Agenda Rittal Das Unternehmen Marktentwicklung im RZ Umfeld Rittal Forschung und Entwicklung RZ - Technologie Trends CO 2 neutrale Rechenzentren Zusammenfassung 50

51 Zusammenfassung Steigender Bedarf Verkürzte time-to-market Standardisierung Freikühlung Standortwahl DC-Technologie Energieversorgung (überprop. steigende Kosten, CO2 Neutralität) 51

52 Vielen Dank. 52