Wie man die Effizienz in Rechenzentren verbessern kann

 

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[toggler title='Die Bedeutung des PUE-Kennwerts. Effizienzmanagement bei der Energienutzung']

In jedem Produktionssystem können wir die Energieeffizienz berechnen, indem wir die tatsächlich nutzbare Energie mit der vergleichen, die das Gesamtsystem benötigt. Mit dieser Information und dem Wissen, in welchen Bereichen das System ineffizient arbeitet, lassen sich beträchtliche Einsparungen und ein weitaus umweltverträglicherer Betrieb erzielen.

Zum Beispiel kann ein mittleres Rechenzentrum mit einer Nennleistung von 100 kW dank der Verbesserung der Energieeffizienz in der Stromrechnung eine Einsparung zwischen € 8000 und € 16 000 jährlich erzielen. Hierzu ist es ebenso wichtig zu wissen, wo der Verbrauch anfällt, als auch die Korrekturmaßnahmen zu bewerten.

In Rechenzentren ist der Faktor Energie so bedeutsam, dass es für ihn eine spezifische Kenngröße gibt: die PUE oder Energienutzungseffizienz (Power Usage Effectiveness nach dem englischen Akronym), definiert nach den Vorschriften von The Green Grid, einem weltweiten Zusammenschluss von mehr als 175 international angesehenen Unternehmen. Die Europäische Kommission verfügt ebenfalls über einen Verhaltenskodex, um die Auswirkungen des steigenden Energieverbrauchs der Rechenzentren zu verringern. Sie veröffentlicht regelmäßig Best-Practice-Regelungen für Rechenzentren, in diesem Fall im Jahr 2013.

Diese Einrichtungen haben aufgrund ihrer ununterbrochenen Betriebszeiten ein ganz besonderes Profil. Die große Bedeutung der kontinuierlichen Stromversorgung von Servern, Computern und Schnittstellen führt dazu, dass sie über drei Hauptgerätegruppen zu ihrer ausschließlichen Nutzung verfügen:

• Anlagen für Bereitstellung und Kontrolle der Energie (sowohl elektrische Energie als auch andere Quellen wie Diesel, Gas usw.), die für den kontinuierlichen Betrieb dieser Einheiten erforderlich ist. In dieser Gruppe finden sich sowohl die Hauptanschlüsse und Verteiler, Beleuchtungs- und Kühlanlagen, Klimatisierung in den entsprechenden Räumen usw.
• Eine oder mehrere Einheiten für die Versorgung der EDV-Anlagen, die aus den sogenannten USV (Unterbrechungsfreie Stromversorgung) oder UPS (Akronym für "Uninterruptible Power System") bestehen.
• Die Verteilerschaltkästen und Verteilungsnetze der Energie bis zu den EDV-Anlagen im engeren Sinne

Vereinfacht kann man sagen, dass von den 100 % der in einem Rechenzentrum verbrauchten Energie etwa 60 % auf den Stromverbrauch der Infrastruktur und die übrigen 40 % auf die Kühlung entfallen.

Zweifelsohne sind zur Durchführung von Vergleichsstudien gewisse Koeffizienten (PUE) notwendig, die darauf abzielen, den Energieverbrauch in diesen Einrichtungen zu optimieren.

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[toggler title='Berechnungsmethoden']

Wie bereits angeführt, werden für die Berechnung der Parameter der Effizienz von Rechenzentren üblicherweise die von The Green Grid herausgegebenen Vorschriften verwendet. Zu ihrem Verständnis wird zwischen zwei Schlüsselindikatoren unterschieden:

1. PUE: Energienutzungseffizienz,

 

berechnet nach der Formel:

2. DCE: Rechenzentrumseffizienz in %, berechnet nach der Formel:

Außerdem bietet die US-Umweltbehörde (EPA) die folgenden PUE-Werte als Bezugsgrößen:

• Bisherige Entwicklung 2,0
• Aktueller Trend 1,9
• Optimierter Betrieb 1,7
• Best-Practice 1,3
• State-of-the-Art 1,2

Unternehmen wie Google haben es geschafft, die Durchschnitts-PUE der Rechenzentren auf 1,22 zu senken, in einigen sogar auf 1,15. 

Im Rahmen des bisherigen Verlaufs (PUE 2,0) ist der typische Verbrauch der verschiedenen Elemente des Rechenzentrums folgender:

Einer der Schlüssel für den Erfolg des Projekts zur Energieoptimierung lag daher in der Messung der Verbräuche für jeden Anlagentyp, um so die am leichtesten umzusetzenden Verbesserungsbereiche zu erkennen.

Es gibt drei allgemeine Messebenen*, in der beiliegenden Übersicht im Detail dargestellt, deren Messpunkte den in dem ebenfalls beigefügten Schema angegebenen entsprechen und in denen die Energie in kWh erfasst wird. Auf allen Ebenen wird ein 12-Monats-Zyklus als Vergleichsgröße gewählt.

Es gibt auch eine Ebene 0, in der ausschließlich die Leistungsmessungen (kW) unter Zuhilfenahme der Werte des allgemeinen Bedarfs der Anlage und des USV-Ausgangs berücksichtigt werden.

CIRCUTOR weist jahrzehntelange Erfahrung mit Energieeffizienz-Lösungen auf und bietet ein breites Sortiment an Produkten, die Ihnen die ständige Datenerfassung zum Monitoring von PUE und DCE, Leistung der USV-Anlage, Energiemanagement und Instandhaltung des Rechenzentrums erleichtern, angefangen bei Zählern, Leistungsanalysern, superresistentem Differenzialschutz, Systemen zur Filterung von Oberschwingungen, der Management-Software PowerStudio Scada und Systemen zur Kompensation von Blindstrom.

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[toggler title='CIRCUTOR-Lösung mit dem SCADA-System']

Für die Studie sind zwei Einrichtungsphasen und eine Studienphase erforderlich:

1. Messung: unter Einbau von Leistungsanalysern des Typs CVM mit ihren entsprechenden Stromwandlern, ausgestattet mit seriellen RS485-Schnittstellen zur Ermittlung des Energieumsatzes.
2. Analyse: durch Einführung der Anwendung PowerStudio Scada, mit der die Ergebniswerte berechnet und angezeigt und die entsprechenden Berichte erstellt werden können.
3. Verbesserungen: auf Grundlage der ermittelten Daten kann man feststellen, welche Geräte gerade Energie verbrauchen.

Die Anwendung würde bestehen aus:

Einem ersten Display (Abb. 1) des Typs Einstrich-Schema mit den entsprechenden Angaben der beteiligten Energien jeder Art (übersetzt in Übereinstimmung mit dem Energietyp in kWh).
Einem zweiten Übersichts-Display (Abb. 2) mit den Leistungsberechnungen (Abb. 3), das Zugriff auf die Erstellung und Anzeige der Berichte mit Ergebnissen für verschiedene Zeiträume bietet (täglich, wöchentlich, monatlich und jährlich).
Zur Veranschaulichung fügen wir Einzeldarstellungen der durch den Einbau der CVM-Analyser und die Programmierung einer spezifischen Scada-Anwendung erhaltenen Displays bei. Auf dem ersten lässt sich das Einbauund Anschlussschema der Anlagen erkennen, auf dem zweiten die Darstellung der online ermittelten Daten für dasselbe Rechenzentrum und auf dem dritten ein Wochenbericht auf Ebene 1 mit der Häufigkeit kontinuierlicher Messung.

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[toggler title='CIRCUTOR-Lösung mit Anzeigedisplay vor Ort']

Für die Studie sind zwei Umsetzungsphasen notwendig:

1. Einbau von Leistungsanalysern vom Typ CVM mit ihren entsprechenden Stromwandlern, ausgestattet mit seriellen RS485-Schnittstellen zur Ermittlung des Energieumsatzes.
2. Einbau einer Energiesteuerung vom Typ EDS mit Datenspeicherung und -verarbeitung und der entsprechenden Programmierung mit Ergänzung um ein zusätzliches Anzeigedisplay vor Ort.

Zur Veranschaulichung legen wir die Einzeldarstellung der Schnittstellen-Topologie ab Einbau der CVM-Analyser, der EDS-Energiesteuerung und des Anzeigedisplays vor Ort bei.

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[toggler title='Wie man die Effizienz eines Rechenzentrums verbessern kann']

Um die Effizienz eines Rechenzentrums zu verbessern, steht nach den Messungen und der Analyse die Durchführung der Verbesserungsmaßnahmen an. Es gibt Maßnahmen, die mit keinerlei Investition verbunden sind, wie die Senkung der Vertragsleistung, um so bei den Direktkosten zu sparen. Andere Maßnahmen erfordern dagegen eine Investition, wie der Austausch von bestehenden durch effizientere Anlagen.

Um diese Verbesserungsmaßnahmen nach Prioritäten zu sortieren, können sie nach der Effizienz bewertet werden, die mit jeder einzelnen Maßnahme zu erreichen ist. Diese Effizienz wird berechnet, indem man die erzielte Verbesserung mit der hierfür erforderlichen Investition vergleicht.

Pa: Priorität der Maßnahme CEa: Energieverbrauch in der aktuellen Situation CEm: Energieverbrauch mit der zu ergreifenden Maßnahme. Investition: Wert der Investition, um die Einsparung zu erzielen

Mit dieser Bewertung für jede mögliche Verbesserungsmaßnahme kann man eine Maßnahmenliste erstellen und sie nach absteigender Priorität sortieren. 

Mögliche kurzfristig zu ergreifende Maßnahmen sind folgende:

• Analyse der Nutzungsmuster der vorhandenen Umgebungen.
  • Berechnung der Mindestgrößen der Servergruppen, mit denen das Betriebsniveau aufrechterhalten wird.
  • Abschaltung der nicht genutzten Kapazität, sofern die benötigte Verfügbarkeit aufrechterhalten bleibt.
• Virtualisierung und Konsolidierung
• Hardware ersetzen
  • Versuchsumgebungen virtualisieren.
  • Veraltete Hardware ersetzen.
• Änderungen im Serverraum-Management
  • Korrektes Monitoring und Anpassung der Serverraum-Temperatur.
• Änderungen an der Infrastruktur der Kühlung.
  • Neue, effizientere Maschinen für die Kühlung.
  • Warmgang-Kaltgang-Anordnung.
  • Beseitigung von "Lücken" in den Racks.
  • Zukunft: Nutzung von externer Luft.
• Optimierung der Beleuchtung

Für eine ausführlichere Liste zu Verbesserungen in Rechenzentren lesen Sie bitte die "Best Practices 2013, zusammengestellt von dem Referat Erneuerbare Energien der Europäischen Kommission".

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[toggler title='Schlussfolgerungen']

Rechenzentren sind wahre Stromschlucker, deren Verbrauch man in die für die EDV-Anlagen notwendige Energie und die zusätzlich erforderliche Energie für den reibungslosen Betrieb aufteilen kann. Der Energieverbrauch ist so hoch, dass es für ihn eine spezifische Kenngröße gibt: die PUE oder Energienutzungseffizienz (Power Usage Effectiveness nach dem englischen Akronym).

In Rechenzentren mit nicht optimierter PUE kann diese zusätzliche Energie bis zu 50 % der Gesamtenergie ausmachen, womit sich ein weites Betätigungsfeld für Verbesserungen erschließt. Gemäß den vorgeschriebenen Mindestverfügbarkeitsanforderungen und den Investitionsmöglichkeiten für Verbesserungen lassen sich beim Gesamtenergieverbrauch Einsparungen von 20 % erzielen (was bei einem mittleren Rechenzentrum mit 100 kW zwischen € 8000 und 16 000 jährlich ausmachen kann).

Wie in dem Artikel zu sehen war, kann man mögliche Verbesserungen in einem Rechenzentrum untersuchen und messen. Die Hauptschritte sind der Einbau der Geräte zur Energiemessung, die Analyse der ermittelten Daten und das Treffen von Entscheidungen auf Grundlage der vorgenommenen Analyse.

CIRCUTOR weist jahrzehntelange Erfahrung mit Lösungen für Energieeffizienz auf und bietet ein breites Sortiment an Produkten, die Ihnen die kontinuierliche Datenermittlung für Kontrolle, Aufrechterhaltung und Management der Energieeffizienz des Rechenzentrums erleichtern.

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