Cloud Computing & Green IT Friends or Foes

Cloud Computing & Green IT Friends or Foes Bachelorarbeit zur Erlangung des akademischen Grades Bachelor of Science in Engineering (BSc) eingereicht von Patrick RIEDL IS091027 im Rahmen des Studiengangs IT Security an der Fachhochschule St. Pölten Betreuung Betreuer/Betreuerin: Dr. Alexander WÖHRER St. Pölten, 06.06.2012 (Unterschrift Autor/Autorin) (Unterschrift Betreuer/Betreuerin) Fachhochschule St. Pölten GmbH, Matthias Corvinus-Straße 15, 3100 St. Pölten, T: +43 (2742) 313 228, F: +43 (2742) 313 228-339, E: office@fhstp.ac.at, I: www.fhstp.ac.at

Ehrenwörtliche Erklärung Ich versichere, dass ich diese Bachelorarbeit selbständig verfasst, andere als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel nicht benutzt und mich sonst keiner unerlaubten Hilfe bedient habe. ich dieses Bachelorarbeitsthema bisher weder im Inland noch im Ausland einem Begutachter/einer Begutachterin zur Beurteilung oder in irgendeiner Form als Prüfungsarbeit vorgelegt habe. diese Arbeit mit der vom Begutachter/von der Begutachterin beurteilten Arbeit übereinstimmt. Der Studierende/Absolvent räumt der FH St. Pölten das Recht ein, die Bachelorarbeit für Lehre- und Forschungstätigkeiten zu verwenden und damit zu werben (z.b. bei der Projektevernissage, in Publikationen, auf der Homepage), wobei der Absolvent als Urheber zu nennen ist. Jegliche kommerzielle Verwertung/Nutzung bedarf einer weiteren Vereinbarung zwischen dem Studierenden/Absolventen und der FH St. Pölten. St. Pölten, 06.06.2012 (Unterschrift Autor/Autorin) 2

Zusammenfassung Cloud Computing, ein Bezugsmodell von Rechenleistung und Speicherkapazitäten in kostengünstiger Form, prägt das zweite Jahrzehnt des 21. Jahrhunderts. Anbieter wie Amazon, Microsoft und Google haben Ihre Infrastrukturen ausgebaut um Cloud Computing weltweit anbieten zu können. Es ermöglicht die vereinfachte und kostengünstige Nutzung von Rechenleistung je nach Bedarf. Durch Virtualisierung von Serverinstanzen kann man die Leistung eines physikalischen Gerätes effektiv nutzen. Somit geht Cloud Computing laut dessen Anbietern einen Schritt in Richtung Green IT. Damit Cloud Anbieter diese Aussage wissenschaftlich vertreten können wurden verschiedene Messwerte und Metriken eingeführt, die beweisen sollen, dass durch den Einsatz von Cloud Computing der CO2 Ausstoß gemindert wird. Beispielsweise soll der PUE-Wert, die Power Usage Effectiveness eines Rechenzentrums, Aufschluss darüber geben, wie viel Energie tatsächlich verbraucht wird. Ein PUE-Wert von unter 1,2 sollte nach dieser Metrik ein sehr umweltschonendes Rechenzentrum definieren. Am jedoch 18.04.2012 veröffentlichte Greenpeace eine Statistik, dass nur rund 56% der Energiequellen für Cloud Computing aus erneuerbaren Ressourcen stammen. Der restliche Anteil der Leistung für Rechenzentren wird nach wie vor aus Kohle- und Atomkraftwerken angekauft. Somit wurde der PUE-Wert wieder in den Schatten gestellt und überarbeitet. Der Nachfolger, die Green Power Usage Effectiveness (GPUE) soll nun Aufschlüsse darüber geben, wie viel Energie verbraucht wird, und woher diese stammt. Dies war ein Notwendiger Schritt, um zu beweisen, wie viel Green IT wirklich in einem Rechenzentrum steckt. Leider musste man feststellen, dass sich der GPUE-Wert noch nicht so durchgesetzt hat, wie der PUE-Wert, da dieser die Rechenzentren schlechter darstellt, als es für das Marketing von Vorteil wäre. Man muss auch bedenken, dass sich das Zeitalter von Cloud Computing erst am Anfang befindet und noch viele Rechenzentren gebaut werden müssen, um den Rechenleistungsbedarf abdecken zu können. Somit machten sich Organisation weitere Gedanken, wie das Zusammenspiel zwischen Green IT und Cloud Computing weitergehen sollte. Die Green IT-Definition von San Murugesan macht es möglich, dieses Zusammenspiel zu verdeutlichen und man konnte einen Green-IT-Kreislauf aufstellen. Dieser Kreislauf besagt, dass Green IT von dem Design der Hardware, über die Produktion bis hin zur Verwendung und letztendlich des Recyclings der verwendeten Geräte Einfluss finden muss. Um diesen Zyklus grün zu machen, gibt es verschiedene Ansätze welche jedoch nicht immer in Betracht gezogen werden, da es aus wirtschaftlicher Sicht keinen Erfolg für Unternehmen bringt. Das Recycling, welches in diesem Kreislauf genannt wird, bezieht sich auf den entstehenden E-Waste, der elektronische Müll, der bei der Entsorgung von IT-Hardware entsteht. Ausgeschiedenes IT-Equipment wird aus Kostengründen in Entwicklungsländer Exportiert und verschmutzt dort die Umwelt, da bei der Produktion chemische Stoffe eingesetzt wurden. In der Europäischen Union hingegen gibt es ein Gesetzt zur korrekten Entsorgung jedoch betrifft dies nicht die Cloud Anbieter wie Google, Amazon und Microsoft. Auch setzen europäische Unternehmen verstärkt umweltschonende Techniken ein, welche zeigen, dass es möglich ist, Cloud Computing grün zu betreiben. Aus diesen Faktoren erkennt man schnell, dass weit mehr hinter Green IT steckt und viel mehr unternommen werden muss, als nur Server durch Virtualisierung effizient zu betreiben. Auch ist es auch wichtig, Standards oder Metriken, wie den PUE-Wert, zu überarbeiten und diese an die aktuellen und zukünftigen Gegebenheiten bestmöglich und vor allem global anzupassen. Ob es jemals möglich ist, den grünen Kreislauf global umzusetzen oder zu erzwingen kann man leider noch nicht bestätigen. 3

Abstract Cloud computing, a reference model of computing power and storage capacity in a cost effective form, characterizes the second decade of the 21st Century. Merchant companies such as Amazon, Google and Microsoft have expanded their infrastructure to cloud computing world. It provides a simplified and cost-effective use of computing power as needed. Through virtualization of server instances, you can use the power of a physical device effectively. Thus, according to its cloud computing providers is a step towards Green IT. These cloud providers can represent these statements with different scientific measurements and metrics which were introduced. They will prove that the use of cloud computing has reduced the CO2 emissions. For example the PUE-Metric, the Power Usage Effectiveness of a data center, shows how much energy is actually consumed. A PUE of below 1.2 defined by this metric is a very environmentally friendly data center. However, on 04/18/2012, Greenpeace published a statistic that only about 56% of energy derived from renewable sources for cloud computing resources. The remaining portion of data center power is purchased as before from coal and nuclear power plants. Thus, the PUE was put back into the shadows and revised. Its successor, the Green Power Usage Effectiveness (GPUE) is now to give clues about how much energy is consumed and where it is consumed from. This was a necessary step to prove how green a Data Center really is. Unfortunately the GPUE value has not yet enforced, such as the PUE, because the results of the GPUE have been to worse for marketing strategies of Data Centers. We must also remember that the era of cloud computing is still in its infancy and many data centers must be built to cover the processing power needs. Thus, making organization more thought should go on as the interplay between Green IT and Cloud Computing. The definition of Green IT which San Murugesan defined makes it possible to explain this interaction and it was possible to set up a so called Green IT cycle. This cycle describes that Green IT has to become important at the beginning of the design of the hardware on the production to use and also to the recycling of the equipment. To make this cycle green, there are different approaches which are not always taken into consideration, because it does not succeed from an economic point of view for the enterprise. Recycling, which is referred to in this cycle refers to the emerging e-waste (electronic waste) of which occurs at the disposal of IT hardware. Precipitated IT equipment is exported to developing countries for cost reasons and pollutes the environment there with chemical substances which have been used during the production. In the European Union there is a law for the proper disposal but it does not relates to the cloud providers such as Google, Amazon and Microsoft. European companies also invest in environmentally-friendly techniques, which show that it is possible to operate a totally Green Cloud. From these factors, you quickly realize that there is much more behind Green IT and much more needs to be done than just server virtualization to offer efficient cloud computing. It is also important to revise these standards and metrics, such as the PUE, and make them to a global standard for Data Centers. It is not confirmable, if the global green cycle could be implemented or forced in the future. 4

Inhaltsverzeichnis INHALTSVERZEICHNIS...5 1. EINLEITUNG...8 2. EXKURS: CLOUD COMPUTING...9 2.1. DEFINITION... 9 2.2. WESENTLICHE MERKMALE... 9 2.3. SERVICEMODELLE... 10 2.4. DEPLOYMENT-MODELLE... 10 3. EXKURS: GREEN IT... 11 3.1. MOTIVATION GREEN IT... 12 3.2. GREEN IT: TECHNISCH, ORGANISATORISCH, WIRTSCHAFTLICH... 13 4. NACHHALTIGE ENERGIETRÄGER IM IT-BETRIEB... 16 4.1. WARUM EINE GRÜNE IT?... 16 4.2. IST GRÜN WIRKLICH GRÜN?... 18 5. MODELLRECHNUNGEN & ANALYSEN... 22 5.1. GREEN POWER USAGE EFFECTIVENESS... 22 5.2. VORGEHENSMODELL FÜR GREEN IT IN RECHENZENTREN... 23 5.2.1. GRUNDLAGEN: AUSLASTUNG UND EFFIZIENZ... 23 5.2.2. ANALYSE... 25 5.2.3. BEWERTUNG UND SELEKTION... 26 5.2.4. DURCHFÜHRUNG... 27 5.2.5. ZUSAMMENFASSUNG... 27 5.3. MATHEMATISCHE MODELLIERUNG DES ENERGIEVERBRAUCHS EINES DATA CENTERS... 28 5.3.1. EINLEITUNG... 28 5.3.2. ENERGIEFLUSS IN EINEM RECHENZENTRUM... 28 5.3.3. GESAMTMODELL UND TEILSYSTEME... 29 5.3.4. ERGEBNISSE... 30 5.3.5. ENDPRODUKT: SOFTWARE... 30 6. PROVIDERVERGLEICH... 31 6.1. AMAZON WEB SERVICES... 31 6.2. MICROSOFT DATACENTER CHICAGO... 31 6.3. ACP DATACENTER WIEN... 31 6.4. CONOVA COMMUNICATIONS GMBH DATACENTER SALZBURG... 32 6.5. FAZIT... 32 7. AUSWERTUNG & AUSBLICK... 33 8. LITERATURVERZEICHNIS... 34 5

Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Definition von Green IT als Grafik dargestellt [8]... 11 Abbildung 2: Zusammenhang zwischen Nachhaltigkeit, Informationsmanagement und Green IT [14, p. 8]... 13 Abbildung 3: Funktionsprinzip Grundwasserkühlung... 14 Abbildung 4: Stromverbrauch von Servern und Rechenzentren in Deutschland (Studie 2008) [19, p. 2]... 16 Abbildung 5: Stromverbrauch von Servern und Rechenzentren in Deutschland (Studie 2012) [20, p. 2]... 18 Abbildung 6: Gründe und Vorteile warum man Green IT praktizieren sollte [7, p. 3]... 19 Abbildung 7: Definition von Green IT als Grafik - Verwendungsschwerpunkt [8]... 19 Abbildung 8: Company Scoreboard - saubere Energie 1 [6]... 20 Abbildung 9: Company Scoreboard - saubere Energie 2 [6]... 20 Abbildung 10: Company Scoreboard - saubere Energie 3 [6]... 21 Abbildung 11: Wie grün ist die Industrie mit dem GPUE-Wert [21, p. 1]... 22 Abbildung 12: Aufbau der CADE-Methodik [22, p. 11]... 23 Abbildung 13: Definition der Umsetzungskriterien [22, p. 25]... 26 Abbildung 14: Maßnahmen und deren Umsetzungsplanung [22, p. 31]... 27 Abbildung 15: Energiefluss in einem Data Center [23, p. 2]... 28 Abbildung 16: Berechnete Werte und gemessene Werte ULK [23, p. 3]... 29 Abbildung 17: Definition von Green IT als Grafik - Verwendungs- und Enstorgungsschwerpunkt [8]... 32 6

Tabellenverzeichnis Tabelle 1: CO2 Emissionen nach Energiequellen [15, p. 1]... 17 Tabelle 2: Komponenten der Gebäudeauslastung [22, p. 13]... 24 Tabelle 3: Komponenten der IT-Auslastung [22, p. 14]... 24 7

1. Einleitung Datentransfer und Speicher im Internet werden stündlich mehr. [1] Die Nachfrage ist enorm und wir stehen erst am Anfang vom Weg in Richtung Cloud. (vgl. Kapitel 7) Viele große Unternehmen bieten effiziente Cloud Lösungen für Privatpersonen und vor allem Firmen und Organisationen an, damit diese keine eigenen Serverräume oder Rechenzentren betreiben müssen. Diese alle erhalten in Cloud Rechenzentren virtualisierte Serverplätze, die stabil, effizient und kostengünstig betrieben werden. Allen Vorteilen voran steht der Punkt Effizienz aber sind diese Rechenzentren das wirklich? Effizientes Arbeiten sollte kostengünstig und gleichzeitig umweltschonend sein, aber kann man wirklich riesige Data Center umweltschonend betreiben? Jedes dieser riesigen Rechenzentren braucht Strom für die IT-Infrastruktur, der größte Teil jedoch wird für Kühlsysteme aufgewendet. Würden nun diese Systeme wirklich effizient laufen, müssten die Provider auf erneuerbare Energieträger zurückgreifen, damit sie auch etwas der Umwelt zuliebe tun. In einer Studie von Greenpeace erhob man Werte, dass die Energie in Rechenzentren nur 56% im globalen Umfeld aus erneuerbaren Energiequellen gewonnen wird. Dies lässt die Frage der Nachhaltigkeit aufkommen, ab wann ein Data Center richtig Nachhaltig betrieben wird, oder ob Servervirtualisierung schon ausreicht um es ein grünes Rechenzentrum nennen zu können. Neben einem Überblick über das Thema Cloud Computing und dessen Modelle gibt es eine Einführung in das Thema Green IT. Welche Strategien es gibt, welche und vor allem wie diese umgesetzt werden wird in einem weiteren Kapitel beschrieben. Man wird erkennen, dass es viele Möglichkeiten gibt, Green IT im Unternehmen und in Rechenzentren umzusetzen, wird aber sehr bald feststellen, dass diese Punkte von Unternehmen kaum in Erwägung gezogen werden, was sich durch Umfragen bestätigen lässt. Es werden Modellrechnungen und Werte miteinander verglichen um zu zeigen, dass es verschiedene Ansätze mit unterschiedlichen Wirkungen gibt. Die Vorteile und Nachteile der Modelle werden verglichen und es wird auch gezeigt, dass man alleine mit einer Verbesserung von Unternehmensprozessen einen Teil zur Schonung der Umwelt beitragen kann. Im Vergleich von zwei amerikanischen Unternehmen und zwei österreichischen Providern kann man sehen, wie sich Green IT unterschiedlich durchsetzt. Die eine Seite setzt auf nahezu ausschließlich erneuerbare Ressourcen und die andere Seite ist aus geografischer Lage an Energiezukauf von Kohlekraftwerken gebunden. Mit wenigen Informationen der Anbieter wird versucht ein Muster zu erstellen, aus dem man Ableiten kann, dass es in Europa mehrere Ansätze zum Schutz des Klimas gibt, als in den Vereinigten Staaten. Verschiedene Beispiele werden im Zuge der Arbeit genannt, bei denen auf diese Unterschiede hingewiesen wird. Der Letzte Teil der Arbeit beschäftigt sich mit dem Ausblick in die nächsten fünf Jahre. Die mobilen Endgeräte werden den größten Teil des Internet-Traffic ausmachen und der Datentransfer wird in den dreistelligen Exabyte-Bereich klettern. Will man diese Datenmengen umweltschonend beherrschen, so müssen sich auch die amerikanischen Unternehmen schnellstmöglich Umsetzungspläne für Green IT Projekte überlegen. 8

2. Exkurs: Cloud Computing Das National Institute of Standards and Technologie (NIST) definiert diverse Entwicklungsstandards und Richtlinien für Regierungen und Unternehmen. In der Special Publication 800-145 hat das NIST auch Cloud Computing definiert um die Aspekte zu erläutern und den Begriffen eine einheitliche Erklärung zu verschaffen. Das Ergebnis dieser Publikation soll es sein, die grundlegenden Fragen Was ist Cloud Computing und Wie verwendet man Cloud Computing am sinnvollsten grob zu beantworten. Die folgenden Punkte definieren Cloud Computing anhand der Vorlage des NIST für diese Arbeit auf Deutsch. 2.1. Definition Cloud Computing ist ein Modell welches erlaubt, permanenten Netzwerkzugriff auf ein verteiltes Pool von konfigurierbaren Rechenressourcen (Netzwerke, Server, Storages, Applikationen, Services) zu erhalten, welche rasch und mit minimalem Aufwand oder Interaktion des Serviceproviders bereitgestellt und freigegeben werden können. [4, p. 1] Dieses Cloud Modell besteht aus fünf wesentlichen Merkmalen, drei Service Modellen und vier Deployment Modellen. [4, p. 1] 2.2. Wesentliche Merkmale An folgenden wesentlichen Merkmalen erkennt man ein Cloud Angebot: On-demand self-service Eine Person kann einseitige Rechenfunktionen wie Rechenleistung, Netzwerkspeicher automatisch, ohne Interaktion eines Technikers im Rechenzentrum bereitstellen. [4, p. 1] Broad network access Die erstellten Funktionen sind über Netzwerke und das Internet auf gewöhnlichen und auch heterogenen Plattformen erreichbar (Notebooks, Smartphones, Tablets) [4, p. 1] Resource pooling Die verfügbare Rechenleistung wird von mehreren Konsumenten genutzt. (Multi-Tenant-Model) Der Unterschied liegt jedoch darin, dass die Ressourcen physisch und virtuell je nach Nachfrage der Kunden zugewiesen wird. Der Konsument hat keine Kontrolle über den exakten Standort seiner virtuellen Instanz. Was hier als Ressource beschrieben wird beinhaltet Speicher, Rechenleistung, RAM und Bandbreite. [4, p. 1] Rapid elasticity Ressourcen können völlig elastisch bereitgestellt und freigegeben werden. In manchen Fällen kann diese Skalierung automatisch durchgeführt werden um mehr oder weniger Ressourcen zu verwenden. Dies kann vom Konsumenten unlimitiert und zu jeder Zeit durchgeführt werden. [4, p. 1] Measured service Cloud Systeme kontrollieren und optimieren die Ressourcennutzung automatisch anhand der Dosierbarkeit einer Bestimmten ebene eines Dienstes. Der Ressourcenverbrauch kann sowohl für den Kunden als auch den Provider aufgezeichnet, überwacht und protokolliert werden. [4, p. 1] 9

2.3. Servicemodelle Software as a Service (SaaS) Ein Softwareprovider stellt sein Produkt auf einer Cloud-Infrastruktur seinen Kunden zur Verfügung. Diese können von nahezu jedem Endgerät diese Software nutzen. Der Kunde administriert somit nicht die zugrunde liegende Infrastruktur wie Rechenleistung Speicher und Netzwerkversorgung, kann jedoch die Anwendungseinstellungen die ihm zustehen Administrieren. [4, p. 2] Platform as a Service (PaaS) Dem Kunden werden zum Beispiel Programmiersprachen, Libraries und Tools auf einer Cloud Plattform zur Verfügung gestellt. Auch hier hat der Kunde keinen Einfluss auf die zugrunde liegende Infrastruktur. Er kann jedoch, wenn verfügbar, die Konfigurationen für eine von Ihm gehostete Applikation vornehmen. Infrastructure as a Service (IaaS) Rechenleistung, Speicher und Netzwerkverbindungen stehen dem Kunden zur Verfügung. Er kann auf vorkonfigurierten Systemen Software einspielen und Betriebssysteme konfigurieren. Wiederum kann er nicht die zugrunde liegende Infrastruktur administrieren, hat aber jedoch die Möglichkeit, Speicher, Betriebssystem und teilweise auch Firewall-Regeln bzw. weitere Angebotene Dienste zu konfigurieren. [4, p. 2] 2.4. Deployment-Modelle Private Cloud Diese Art der Cloud Infrastruktur ist nur einzelnen Organisationen vorbehalten. Diese wird im unternehmenseigenen Serverraum bzw. Rechenzentrum von IT-Personal administriert und den angestellten für die interne Verwendung vorgesehen. [4, p. 3] Community Cloud Community Clouds stehen meist einem bestimmten Personen- oder Unternehmenskreis zur Verfügung. Wenn diese auf eine gemeinsam genutzte Ressource zugreifen müssen, wird eine Community Cloud eingerichtet. Sie wird oft von diesen Unternehmen oder externen IT-Providern administriert. [4, p. 3] Public Cloud Die Public-Cloud ist für die breite Masse öffentlich zugänglich. Sie kann von jedem genutzt werden und wird meist von großen Organisationen oder Akademien administriert. [4, p. 3] Hybrid Cloud Diese Form von Cloud Computing ist eine Mixtur aus mindestens zwei Cloud Modellen (Private, Community, Public). Diese haben dann verschiedene Eigenschaften und sind durch Standards oder Applikationen miteinander verbunden. [4, p. 3] Der wesentliche Unterschied von Cloud Computing zu bisher bekannten Hosted Services wie virtuellen Servern oder Webhosting Angeboten ist der Abrechnungsintervall. Beim Cloud Computing bezahlt man für eine genutzte Stunde und kann somit flexibel Rechenleistung kaufen, während man bei normalen Hosted Services quartalswiese beziehungsweise halbjährliche und jährliche Vorauszahlungen in Kauf nehmen muss. [5] Cloud Anbieter stellen generell nur Service Level Agreements (SLA) für Effizienz und Verfügbarkeit aus. Es gibt aber derzeit noch keinen Anbieter, der dediziert Vertrage über Datenschutz bereitstellt. Somit bleibt die Verantwortung beim Nutzer des Cloud Computing Angebots. [6] 10

3. Exkurs: Green IT Nicht nur im Verkehr und in der Industrie macht man sich Gedanken um den Klimaschutz auch in der IT- Branche möchte man der Verantwortung nachkommen und versuchen den CO 2 -Ausstoß zu senken. Unternehmen setzen immer mehr Konzepte zur Green IT um welche in den nächsten Kapiteln behandelt werden. [7, p. 1] Ein wichtiger Schritt bei diesen vorhaben war der Weg zur Virtualisierung, was aber alleine nicht ausreicht wie man im Punkt 4.2 erkennen wird. Laut einer Studie von Greenpeace werden nur rund 56% der Rechenzentren durch saubere Energie betrieben. Die Restlichen Prozent werden dennoch durch Kohle- und Atomkraftwerke abgedeckt. [8] San Murugesan definiert in einem Bericht Green IT: It s the study and practice of designing, manufacturing, using and disposing of computers, servers and associated subsystems - such as monitors, printers, storage devices, and networking and communications systems - efficiently and effectively with minimal or no impact on the environment. [9, pp. 2,3] Abbildung 1: Definition von Green IT als Grafik dargestellt [10] 11

3.1. Motivation Green IT Begonnen hat der Wandel des Umdenkens mit der Virtualisierung von Servern in Rechenzentren. Das bedeutet, dass auf einem realen Server mehrere virtuelle Server betrieben werden. [7, p. 2] Durch diese Maßnahme kann man die Serveranzahl verringern und erreicht auf einem Server eine Auslastung von bis zu 75% wobei der Energieverbrauch gleichbleibend ist. [11, p. 23] Dies wäre dann die Grundlage für Cloud Computing, welche im Punkt 2.1 definiert wurde. Jedoch stehen in solchen Cloud Rechenzentren nicht nur einige Hundert sondern Tausende Server mit noch viel mehr virtualisierten Servern. Google ist die bekannteste Cloud-Firma, welche alle Produkte wie Google Earth, Google Documents und Gmail über solch eine Cloud-Infrastruktur bereitstellt. [12, p. 3] Bei solchen Mengen reicht jedoch Virtualisierung nicht mehr aus und es müssen weitere physikalische Server angeschafft werden, um der Auslastung gerecht zu werden. Da dies einen enormen Energieverbrauch mit sich bringt muss schneller und günstiger Strom eingekauft werden. [12, p. 3] Aus diesen Gründen muss man auch weitere Faktoren wie Hardware und Kühlung betrachtet werden. Hier kann man zwischen 5%-25% an Energieverbrauch einsparen, [13, p. 7] da die Kühlleistung in einem Rechenzentrum alleine zwischen 35% und 50% des gesamten Energieverbrauchs ausmacht. Durch Anschuldigungen von Greenpeace wegen schmutzigen Energiekonsum (vgl. [8]) motiviert greifen immer mehr Cloud-Anbieter auf Investitionsprojekte zurück, um deren Rechenzentren grüner zu machen. Google, als Beispiel, Investiert derzeit mehr als 5 Milliarden Dollar in ein Windkraft-Projekt an der Ostküste der Vereinigten Staaten von Amerika um nicht schmutzige Energie kaufen zu müssen. [14, p. 3] Es handelt sich um das Projekt Atlantic Wind Connection und soll der Region 60.000 MW an erneuerbarer Energie zur Verfügung stellen. Es werden hierbei Windkraftanlagen auf dem Meer gebaut und der Strom per Unterseekabel ans Festland geleitet. Sollte nun Google oder ein anderer Provider in dieser Region ein Data Center erbauen, wäre es erstrebenswert, dieses mit Windkraft zu betreiben. [14, p. 3] Ein weiteres Projekt plant ebenfalls Google im Atlantik, dass man Rechenzentren im Wasser baut und durch Wellenbewegungen Energie erzeugt und das Meerwasser als Kühlmittel verwendet. Ein Patent wurde zwar angemeldet, aber ob dies realisierbar und produktiv einsetzbar wird, ist noch unklar. [3] In Deutschland wird im Vergleich zu den USA energischer Versucht, Rechenzentren effizienter arbeiten zu lassen. Der deutsche Internet Service Provider STRATO AG bezieht den Strom für die Rechenzentren nach eigenen Angaben ausschließlich aus Wasserkraft. [14, p. 3] Diesen Fakten zufolge sollten für Rechenzentren und vor allem für hochverfügbare Cloudsyteme Modellrechnungen zum Energiesparen herangezogen werden. Man darf nicht nur Virtualisierung einsetzen und sich dann als grün verkaufen, sondern sollte einen ganzen Kreislauf umsetzen von der Beschaffung bis zum Recycling [15]. Es soll sozusagen ein Zusammenhang zwischen Nachhaltigkeit, Informationsmanagement und Green IT geschaffen werden wie in Abbildung 2 ersichtlich. 12

Abbildung 2: Zusammenhang zwischen Nachhaltigkeit, Informationsmanagement und Green IT [15, p. 8] 3.2. Green IT: technisch, organisatorisch, wirtschaftlich Um den Zusammenhang dieser Faktoren leichter erklären zu können, kann man die Vorteile von Green IT in die Bereiche technisch organisatorisch wirtschaftlich aufspalten. In diesen Bereichen findet man die wichtigsten Motivationsgründe für Unternehmen, um Green IT umzusetzen. Diese wären neben Risikominderung und Effizienzsteigerung auch Imageverbesserung und natürlich die Kostenreduzierung. [15, p. 9] Will man als Unternehmen die Effizienz steigern, indem man Prozesse in die effiziente Cloud auslagert, wird man dadurch nicht Umweltschonender. Man spart zwar im eigenen Umfeld Ressourcen ein, welche woanders jedoch wieder benötigt werden. (vgl. 3.1) Das Problem, welches hier erkennbar ist, sind die fehlenden verbindlichen und definierten Standards. So ist ein Rechenzentrum oder ein Cloud Anbieter grün, wenn er Effizient und mit Servervirtualisierung arbeitet [15, p. 14] und dennoch der Strom aus einem Kohlekraftwerk bezogen wird. [8] Bei der Kühlung von Data Centern fehlen neben Standards auch standardisierte Messmethoden. [15, p. 15] Man spricht zwar davon, dass in einem Rechenzentrums-Labor die effektivste Ansaugtemperatur für Server von 27 Celsius erhoben wurde [13, p. 8], weißt aber nicht darauf hin, ob es effektiver wäre, mit Luftkühlung oder mit Wasserkühlung eine Serverlandschaft zu kühlen. 13

Es entstand ebenfalls das Prinzip der Grundwasserkühlung, welches man der Abbildung 3 entnehmen kann. Hier sieht man den Weg des Wassers vom Brunnen, welches sich über die Wärmetauscher und Klimageräte erwärmt und als warmes Wasser wieder zurückgeführt wird. Ein neues Rechenzentrum der Firma IGN baut auf diesem Prinzip auf, um dessen Rechenzentrum konstant mit 11,3 Celsius kalten Grundwasser zu kühlen. Nach dem durchlauf im Rechenzentrum ist es nur um rund 5 Celsius wärmer und wird in das Grundwasser zurückgeführt. Somit erzielt dieses Rechenzentrum ein enormes einsparpotential von elektrischer Energie, da die Kühlung nahezu wegfällt. [16] Abbildung 3: Funktionsprinzip Grundwasserkühlung [16] Mit einem nachhaltigen Prinzip kann man natürlich auch das Image des Unternehmens aufbessern, um Kunden zu locken. So weisen viele Unternehmen in Zeitschriften, Presseaussendungen oder auf Produkten oder Webseiten auf das Engagement des Unternehmens in der Green IT hin. Der Vorteil den ein Unternehmen daraus zieht ist eine weitere Möglichkeit, dass bei z.b. Ausschreibungen auch die Nachhaltigen Aspekte eine Präferenz erzielen können. [15, p. 16] Doch nicht nur im Betrieb von IT-Komponenten ist Green IT ein wichtiges Schlagwort. Es beginnt nämlich bereits in der Produktion der Komponenten. [3] Viele Gegenstände enthalten immer noch giftige Stoffe, welche mittlerweile aber durch Alternativen und Weiterentwicklungen ausgetauscht werden. Das Problem jedoch bei der Umsetzung der neuen Strategien sind wie in den meisten Fällen die Kosten. Diese steigen bei der Forschung und Entwicklung enorm an und stellen somit für viele Produzenten eine Hürde da, um neueres, besseres Material zu erfinden. Wenn diese jedoch gedeckt sind, kann man damit die Marketingstrategien erweitern, in dem man die Produkte als gesundheitsverträglicher anpreist, was Unternehmen wie Apple und Nokia auch machen. [3] Auch in der Unternehmensorganisation kann man Green IT durch Optimierung von Prozessen umsetzen. Würde man Geschäftsprozesse effizient steigern und verändern, könnte man alleine in diesem Zweig 7.300 Millionen Tonnen CO2 einsparen. [17, p. 4] 14

Es ist auch ein Unterschied, wo man sich geographisch ansiedelt. Facebook baute im Jahr 2010 ein Rechenzentrum in Oregon welches durch den Anbieter PacificCorp gespeist wird. Dieser bezieht den Großteil des Stroms jedoch ausschließlich aus Kohlekraftwerken. Somit wäre es für Facebook schon aus Sicht der Geografie nicht möglich, erneuerbare Energien zuzukaufen. Würde Facebook, wie Yahoo! außerhalb von Buffalo ein Rechenzentrum errichten, könnte das Unternehmen auf Wasserkraft setzen, welche von Yahoo! an diesem Standort bezogen werden kann. [12, p. 3] Diese Anbieter sollten ein Vorbild für die Umsetzung von Green IT sein. Denn abgesehen vom Faktor des IT- Outsourcings in die Cloud erzeugen Web 2.0 Anwendungen die meisten CO2-Emissionen. Videoportale, Chats und Soziale Netzwerke werden alle in Cloud Rechenzentren betrieben und daher wäre es dort ernsthaft notwendig, eine Green IT einzuführen. [18, p. 9] Bei der Entsorgung von IT-Komponenten, dem letzten Schritt im Kreislauf, sollte die Green IT auch noch eingepflegt werden. Hier tritt wieder das Problem ein, welches schon in der Produktionsphase eine große Rolle spielt die Verwendung von Giftstoffen. Teilweise finden diese Teile wieder Verwendung in neuen Produkten und für die zu entsorgenden Komponenten gibt es eine sogenannte Waste Electrical and Electronic Equipment (WEEE) Richtlinie. [3] Diese besagt, dass bereits durch verbesserte Herstellungsverfahren der Müll bei der Ausscheidung reduziert werden soll. [3] Außerdem sind die Hersteller durch diese Richtlinie verpflichtet worden, alle zu entsorgenden Geräte zurück zu nehmen und fachgerecht zu entsorgen. Die Entsorgung eines einzigen Monitors in den USA kostet rund 15$. Leider wird aus Kostengründen immer noch auf giftige Stoffe in der Produktion gesetzt und oft zur einfachen Entsorgung des sogenannten E-Waste s der ganze Abfall in Entwicklungsländer wie Indien und Afrika exportiert. [2] Der Verkauf von Monitoren in Entwicklungsländern wie zum Beispiel in Nigeria bringt jedoch 50$ pro Stück. [2] Gegen dieses Problem setzt sich die sogenannte E-Waste Foundation ein. (vgl. http://www.ewastefoundation.org) Man könnte chemische von wiederverwendbaren Hardwareteilen trennen und bei Bedarf erneut verwenden beziehungsweise umweltfreundlich entsorgen. Ein weiteres Problem dieser Richtlinie ist, dass diese nur in der europäischen Union gilt und somit keine anderen Länder betrifft. [3] Auch hier sollten sich Organisationen wie Greenpeace einsetzen, denn es würde aus globaler Sichtweise besser funktionieren, da die meisten Produktionsstätten nicht in Europa angesiedelt sind. 15

4. Nachhaltige Energieträger im IT-Betrieb 4.1. Warum eine grüne IT? Um die Umweltverschmutzung durch die Erzeugung von Treibhausgasen zu reduzieren muss man den Ausstoß von CO 2 reduzieren. Diesen kann man je nach Energiequelle aufteilen und ist in Tabelle 1 einsehbar. Der Elektrizitätsverbrauch spielt hier eine große Rolle und ist einer der Hauptgründe für den Klimawandel. [9, p. 2] Der elektrische Energieverbrauch von Servern, Computern, Datenkommunikationen und vor allem Kühlsystemen ist enorm angestiegen und wird noch weiter ansteigen. [9, p. 2] Sieht man sich in der Abbildung 4 den Verlauf der Kurve Business as usual an, erkennt man einen klaren Anstieg von über 4TWh gemessen in Deutschland. Würden Unternehmen vermehrte Maßnahmen der Green IT einsetzen, würde sich der Energieverbrauch um diesen Wert jedoch reduzieren statt ansteigen, wie man ebenfalls der Grafik entnehmen kann. Abbildung 4: Stromverbrauch von Servern und Rechenzentren in Deutschland (Studie 2008) [19, p. 2] Der jährliche Energieverbrauch von Servern und Infrastruktur im Jahr 2008 gemessen in der Europäischen Union betrug 40 Terrawattstunden im Wert von 6 Milliarden Euro. [17, p. 1] Im Vergleich: Jeder PC erzeugt jedes Jahr eine Tonne Kohlenstoff-Dioxid. [9, p. 2] Dieser soll zwischen 2008 und 2013 um bis zu 47% ansteigen. Das Problem ist, dass sich zwar die Servervirtualisierung weiterhin fortsetzen wird, jedoch keine anderen Energieeffizienzmaßnamen seitens der Politik oder der IT-Hersteller ergriffen werden. [19, p. 2] Hier sollten sich Organisationen zusammenschließen und das Thema Green IT diskutieren, wie es auch im Verkehrswesen der Fall ist. 16

Nicht nur der Energieverbrauch schädigt unsere Umwelt. Sowohl die Erzeugung von IT-Produkten und auch die Entsorgung sind schuld an den globalen Veränderungen. Altes IT-Equipment wird auf Deponien entsorgt oder ins Ausland exportiert [3] und verschmutzt dadurch die Böden und das Grundwasser. [9, p. 2] Tabelle 1: CO2 Emissionen nach Energiequellen [15, p. 1] Energy source g CO2/KWh Wind 9 Hydroelectric reservoir 10 Biogas 11 Hydroelectric river 13 Solar thermal 13 Biomass 14 Solar PV 32 Geothermal 38 Nuclear 66 Natural gas 443 Diesel 778 Heavy oil 778 Coal 960 Coal no scrubbing 1050 Gemäß einer aktualisierten Studie der Bitkom vom Jahr 2012, welche in der Statistik in Abbildung 5 ersichtlich ist, im Vergleich zum Jahr 2008 (siehe Abbildung 4) misst man beim Szenario Business as usual eine Einsparung von 1,4 TWh entgegen der zu erwarteten Entwicklung. [20, p. 2] Der Hauptgrund dafür ist vor allem die verbesserte Klimatisierung und die Verwendung von effizienteren USV- Systemen. [20, p. 3] Die Stromkosten sind aber seit 2008 um 12% angestiegen. Auch die Anzahl der Server in Deutschland ist laut dieser Statistik um 7% angestiegen. [20, p. 2] Aus diesem Diagramm in Abbildung 5 ist ableitbar, dass, würde man Green IT effizient umsetzen, der Stromverbrauch sich zwischen 7TWh und 8TWh im Jahr 2012 einpendeln würde, sich der Trend jedoch nur langsam in diese Richtung bewegt. 17

Abbildung 5: Stromverbrauch von Servern und Rechenzentren in Deutschland (Studie 2012) [20, p. 2] 4.2. Ist grün wirklich grün? Die folgenden Punkte geben einen Überblick, was IT-Dienstleister unter Green IT verstehen sollten: [9, p. 3] Design für ökologische Nachhaltigkeit Energieeffizientes Computing Powermanagement Rechenzentrums Design, -Aufbau, -Ort Servervirtualisierung Verantwortungsvolle Entsorgung und Recycling Einhaltung gesetzlicher Vorschriften Grüne Metriken, Bewertungstools und Methoden Umweltbezogene Risikominderung Nutzung von erneuerbaren Energien Öko-gekennzeichnete IT-Produkte Die meisten Provider setzten bis dato aber nur wenige dieser Punkte um, obwohl es viele Möglichkeiten gibt, welche noch näher beschrieben werden. 18

Abbildung 6: Gründe und Vorteile warum man Green IT praktizieren sollte [9, p. 3] Der beinahe am Meisten umgesetzte Punkt ist gemäß Recherchen die Server-Virtualisierung. Die Firma IBM schaffte durch Reorganisation des Rechenzentrums die Server von 3.900 auf 33 zu verringern was zu 85% an Energieeinsparung führte. Der weitere Vorteil dieser Umstrukturierung war ein Flächenersparnis um 90%. Die STRATO AG mit Sitz in Berlin schaffte durch bessere Kühlsysteme und Hardware eine Einsparung von 30% pro Kunden und plant jährlich 15.000 Tonnen CO2 durch Energie aus Wasserkraft einzusparen. [17, p. 1] Eine Umfrage, was man an Green IT einsetzen würde, ergab folgende Ergebnisse: 50% der Befragten verwenden Servervirtualisierung [9, p. 6] 32% der Befragten nutzen Doppelboden-Druck-Kühlung [9, p. 6] 17,5% der Befragten lassen Server, die nicht verwendet werden, automatisch herunterfahren [9, p. 6] Nur 7,7 % testeten Wasserkühlung um die Kühleffizienz zu steigern. [9, p. 6] Wasserkühlung ist mehrere hundert Mal effektiver als Luftkühlung jedoch hält sich die Nachfrage in Grenzen. [9, p. 6] Es gibt jedoch Ansätze im Bereich der Grundwasserkühlung welche in dieser Arbeit ebenfalls erwähnt werden. Wie man hier erkennt bezieht sich der Faktor Green IT ausschließlich auf die Verwendung von IT- Equipment (vgl. Abbildung 7) obwohl man durch grünes Design, grüne Herstellung und grüne Entsorgung die Umwelt um ein vielfaches schonen könnte, wie man dem Punkt 3.2 entnehmen kann. Abbildung 7: Definition von Green IT als Grafik - Verwendungsschwerpunkt [10] 19

Ein Rechenzentrum eines großen Cloud-Anbieters benötigt so viel Energie wie 250.000 europäische Haushalte. Nachdem die Nachfrage am Cloud-Angebot so groß ist, und Cloud Computing mittlerweile jeden betrifft (vgl. Kapitel 0), vermutet Greenpeace, dass dadurch eine große Nachfrage an Kohle- und Atomstrom entsteht, um den Energiebedarf überhaupt noch stillen zu können. [8] Die Statistiken (siehe Abbildung 8, Abbildung 9, Abbildung 10) zeigen, dass oft nur 15% des Strombedarfs aus sauberen Energiequellen bezogen wird. [8] Wie jedoch eine Nachfrage bei dem österreichischen Unternehmen ACP IT Solutions GmbH ergab (vgl. 6.3), ist es möglich, Energie für Rechenzentren aus 100% nachhaltigen Quellen zu kaufen. (vgl. Kapitel 6) Das Problem dabei ist die Standortwahl, denn in manchen Teilen der Erde gibt es keine Möglichkeit, Ökostrom zu kaufen. (vgl. Kapitel 6.2) Abbildung 8: Company Scoreboard - saubere Energie 1 [8] Abbildung 9: Company Scoreboard - saubere Energie 2 [8] 20