Energieeffizienz in deutschen Rechenzentren

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Stromsparen als Einkaufsgutschein

© NeRZ – Netzwerk energieeffiziente Rechenzentren

Von Ariane Rüdiger, freie Autorin (München)

Wie effizient sind deutsche Rechenzentren? Welche Effizienztechnologien setzen sie ein, um die PUE (Power Usage Effectiveness) zu verbessern – und um vielleicht weitere Energieeinsparungen zu realisieren? Und was hat das alles mit dem RZ-Standort Deutschland zu tun? Um das herauszubekommen, hat das Borderstep-Institut zusammen mit dem Netzwerk energieeffiziente Rechenzentren (NeRZ) zwischen März und Juni 2017 eine umfangreiche Untersuchung durchgeführt: „Energieeffizienz und Rechenzentren in Deutschland. Weltweit führend oder längst abgehängt?“ Sie basiert auf einer Literaturrecherche, Modellierung der RZ-Landschaft in Deutschland mittels eines Strukturmodells, der Online-Befragung von Betreibern und strukturierten Interviews mit ausgewählten Experten.

An der Online-Befragung beteiligten sich 74 Personen, von denen 36 bei IT-Dienstleistern und 38 in sonstigen Rechenzentren tätig waren. Sie betreiben insgesamt 328 Rechenzentren mit einer Fläche von 475.000 m², was etwa einem Viertel der RZ-Kapazitäten in Deutschland entspricht. Rund 46 % der Befragten arbeiten für organisationseigene RZ, rund 24 % für Colocation-Rechenzentren, 23 % für Hoster, 14 % für Cloud-RZs, 15 % für Managed-Services-Provider, 12 % bei TK-RZs, 3 % bei Gebiets-RZ und 12 % bei Hochschul- oder Forschungseinrichtungen.

Leider sind die Daten der Studie nicht im strengen Sinne repräsentativ, sondern haben laut Borderstep „explorativen Charakter“. Dennoch dürften sie etwas über die besagten Themen aussagen. Bei vielen Fragen, die die IT-Infrastruktur betreffen, blieben die Antworten aus Kollokationsrechenzentren außer Betracht, da diese Aspekte von den Mietern entschieden werden und nicht vom RZ-Betreiber.

Investitionen legen zu

Eine gute Nachricht zumindest für die Hersteller von Data Center Equipment, aber auch für die Modernisierung der deutschen RZ-Landschaft ist, dass die Investitionen zuletzt gestiegen sind: 2016 legten sie um 10 % zu, 2017 werden sie etwa 1 Milliarde Euro erreichen. Dabei sind die Ausgaben für neue Informationstechnik noch nicht mitgerechnet. Sie lagen 2016 bei 7,3 Milliarden Euro. Bis 2019 wollen nur 4 % der Befragten nichts in die Informationstechnik stecken, 38 % planen lediglich Ersatzinvestitionen, und über die Hälfte wird entweder etwas oder sogar umfangreich erweitern.

MW-KommRZ4.2017.ID02-Borderstep-Ausblick.jpg Die Herausforderung: Bei einer steigenden Anzahl von Servern soll der Stromverbrauch allenfalls moderat mitwachsen. (Bild: Borderstep Institut)

Während die Fläche der übrigen Rechenzentren stagniert, legen Cloud-Einrichtungen mittlerweile kräftig zu, nach Borderstep-Analyse hauptsächlich wegen der Ansiedlung amerikanischer Cloud-Anbieter: Sie müssen mit eigenen RZ vor Ort sein, um den Anforderungen des europäischen bzw. deutschen Datenschutzrechts gerecht zu werden. Die Gesamt-IT-Fläche in deutschen RZ überschreitet mittlerweile 2 Millionen Quadratmeter, die der Cloud-Rechenzentren 0,5 Millionen Quadratmeter. Der Cloud-Markt macht also mittlerweile ein gutes Viertel der gesamten deutschen RZ-Fläche aus, Tendenz steigend.

Insgesamt scheinen Rechenzentren flächenmäßig zu wachsen als zu schrumpfen: Während knapp 30 % der Befragten angeben, ihre RZ-Fläche sei in den vergangenen zwei Jahren um mehr als 20 % gewachsen und weitere rund 12 % sagen, sie habe bis 20 % zugelegt, nahm die RZ-Fläche nur bei 10 % der Befragten ab. Bei rund der Hälfte ist die RZ-Fläche gegenüber dem Stand von vor zwei Jahren allerdings gleich geblieben.

Mehr Energiebedarf, mehr Server

Zwischen 2010 und 2016 ist der Energiebedarf von Servern und Rechenzentren in Deutschland von 10,5 auf 12,4 Milliarden kWh/a und damit um rund 20 % angestiegen. Das geht auch in Zukunft so weiter: Nicht nur die Fläche wächst, auch die Zahl der physischen Server steigt trotz aller Virtualisierungsbemühungen weiter an, genau wie der Energieverbrauch. So geben allein knapp 30 % der Befragten an, die Serverzahl werde sich bis 2025 um mehr als ein Viertel erhöhen, weitere gut 20 % sehen eine Erhöhung um bis zu 25 % im selben Zeitraum. Auch der Energieverbrauch legt weiter tüchtig zu: Hier gehen gut 30 % von einer Steigerung bis 2025 um bis zu 25 % aus, etwa 16 % erwarten, dass der Energieverbrauch um weniger als 25 % steigt. Für Europa prognostiziert Borderstep für 2020 einen weltweiten RZ-Energiebedarf von etwa 375 Milliarden kWh/a.

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Schwarz auf Weiß
Dieser Beitrag erschien zuerst in unserer Magazin­reihe „Rechen­zentren und Infra­struktur“. Einen Über­blick mit freien Down­load-Links zu sämt­lichen Einzel­heften bekommen Sie online im Presse­zentrum des MittelstandsWiki.

Die IT-Dienstleister signalisieren übrigens besonders deutlich einen steigenden Strombedarf: Rund 30% von ihnen gehen davon aus, dass er um 25 % oder mehr zulegen wird, weitere 35 % prognostizieren ein Wachstum zwischen 5 und 25 %. Das spiegelt die zunehmende Nutzung von Dienstleistungsrechenzentren und Cloud Computing wieder.

Wie dem auch sei: Die höhere Effizienz von Servern wird augenscheinlich komplett von der Zunahme ihrer Menge infolge der Digitalisierung aufgefressen, und der Strombedarf der IT wächst unaufhörlich. Ob die Energieeinsparungen aus der Digitalisierung den Verbrauch der IT kompensieren, wie häufig versprochen wird, bleibt abzuwarten. Rechnet man weltweit, ist eher zu erwarten, dass der globale Energiebedarf – trotz oder wegen der IT – durch die unvermeidliche und berechtigte Aufholjagd sich entwickelnder Ökonomien und Rebound-Effekte weiter ansteigen wird.

Ausbaumarkt Cloud und Colocation

Der Trend zur (räumlichen) Größe ist bei deutschen Data Centern unübersehbar, insbesondere Cloud- und Colocation-Rechenzentren legen zu. Bei Dienstleistungsrechenzentren nennen 40 % der Befragten ein Wachstum von über 20 % in fünf Jahren. Zudem ist diese Gruppe besonders investitionsbereit – etwa 46% geben an, dass sie sehr umfangreiche Erweiterungsinvestitionen planen, hinzu kommen noch einmal mehr als 20 %, die von etwas weniger umfangreichen Erweiterungsinvestitionen ausgehen. Aber kein Dienstleister plant überhaupt keine Investitionen. Das ist wenig verwunderlich, sondern entspricht den positiven Zukunftserwartungen der Dienstleister, die zu knapp 30 % in den nächsten fünf Jahren sogar Flächenerweiterungen über die Hälfte erwarten. Etwa 17 % gehen davon aus, dass sie mehr als 50 % mehr physische Server nutzen werden, weitere rund 40 % erwarten Zuwächse zwischen 5 und 25 %.

Dabei hat die Kollokation, bei der die Serverbetreiber ihre IT-Ressourcen bei einem Spezialisten unterbringen, der die Infrastruktur bereitstellt, einen Anteil von 40 % an der Gesamt-IT-Fläche in deutschen Rechenzentren. Allerdings gibt es immer noch rund 48.000 Rechenzentren in Deutschland mit einer Fläche unter 100 m². 93 % der IT-Verantwortlichen bei Mittelständlern halten den Betrieb eigener Rechenzentren weiterhin für wichtig, was diese hohe Zahl kleiner RZ erklärt. Diese Zahl stammt aber nicht von Borderstep selbst, sondern aus einer Rittal-Untersuchung durch IDC aus dem Jahr 2014 – bei der rasanten Ausbreitung von Cloud kämen die Autoren vielleicht heute schon zu einem anderen Ergebnis. Als neuer Trend zeichnet sich die Errichtung sogenannter Edge-Rechenzentren ab, die als Konsolidierungsstufe der IT in IoT-Umgebungen zwischen der unmittelbar am Endgerät befindlichen IT und der Cloud-IT dienen.

Genutzte Effizienztechnologien

Angesichts der Wachstumstendenzen ist der gezielte (und hoffentlich erfolgreiche) Einsatz von Effizienztechnologien umso wichtiger, um die offenbar unaufhaltbaren Anstiege im Energieverbrauch wenigstens so gering wie möglich ausfallen zu lassen. Die wichtigsten Einsparfaktoren stecken in den Servern selbst – beim regelmäßigen Hardware-Austausch kommen in der Regel automatisch effizientere Technologien zum Zuge – sowie in der Kühl-/Klimatisierungs- und Lüftungstechnologie. In beiden Bereichen konnten über 80 % der Befragten in den vergangenen Jahren Einsparungen erzielen. Mit jeweils rund 50 % der Nennungen folgen USV/Stromverteilung und Datenspeichersysteme. Bei Netzwerken und Stromerzeugung dagegen sparten in den vergangenen Jahren nur 10 % der Befragten Strom – allerdings sind dies auch nicht die großen Verbraucher im RZ.

MW-KommRZ4.2017.ID02-Borderstep-Abwaerme.jpg Eine stärkere Nutzung der RZ-Abwärme ist den Befragten zufolge oft nicht realistisch umzusetzen oder schlicht unrentabel. (Bild: Borderstep Institut)

Bemerkenswert ist, dass die Abwärmenutzung erst bei 30 % der Anwender zu Energieeinsparungen beiträgt. Das bedeutet, dass hier möglicherweise noch viel ungenutztes Potenzial liegt, denn physikalisch gesehen setzen Rechner nur Strom in (Ab)wärme um – Nullen und Einsen sind kein Output in diesem Sinne.

Die wichtigste Maßnahme, um Energie einzusparen, ist die Servervirtualisierung, die flächendeckend eingesetzt wird. Im Zug der turnusmäßigen Hardware-Erneuerungen werden bei etwa 90 % der Befragten energieeffizientere Lösungen angeschafft, und effiziente Stromnutzung scheint sich mittlerweile zu einem selbstverständlichen Auswahlkriterium beim Serverkauf gemausert zu haben. Des Weiteren werden in Rechenzentren relativ häufig Kalt- und Warmgänge eingehaust (75 % Nennungen). Auch Mess-, Steuer- und Regeltechnik findet sich inzwischen in knapp 70 % der RZs. Rund 55 % haben auch ihre Speicher virtualisiert und stromfressende Überkapazitäten beseitigt. Hocheffiziente USV-Anlagen haben rund 60 % der Befragten beschafft, und etwa die Hälfte der Befragten verwendet indirekte freie Kühlung und/oder ein Energiemanagementsystem. Eher seltener werden die direkte freie Kühlung (etwas über 30 %) und die Netzwerkvirtualisierung (knapp unter 30%) implementiert.

Diese Trends dürften sich fortsetzen. Knapp 55 % der Befragten planen die Beschaffung energieeffizienter IT-Hardware, etwa 46 % wollen künftig in ein Energiemanagementsystem für das RZ investieren. Servervirtualisierung und Kalt-/Warmgangeinhausung sind mit 36 % weitere beliebte Investitionsobjekte. Dann folgen Netzwerk- und Storage-Virtualisierung sowie hocheffiziente USV-Anlagen und MSR-Technik fürs RZ mit jeweils etwas über 30 % Nennungen. Indirekte freie Kühlung steht bei 18 % der Befragten auf dem Plan, in direkte Freikühlung wollen 14 % Geld stecken. Gezielte Investitionen in Wärmerückgewinnung gab keiner der Befragten an – allerdings ist nicht klar, ob diese Option überhaupt abgefragt wurde oder ob es sich um eine offene Frage handelte, auf die man selbst Antworten formulieren konnte.

Die Investitionspläne entsprechen nicht ganz den Einschätzungen, wo man am meisten Energie einsparen könnte. So gibt die Hälfte der Befragten an, man glaube, durch Wärmerückgewinnung hohe bis sehr hohe Einsparungen erzielen zu können – aber gezielte Investitionsvorhaben in dieser Richtung wurden entweder gar nicht abgefragt oder aber nicht genannt. Demgegenüber sind die Energiesparpotenziale bei neuer IT-Hardware mit 10 bis 25 % nicht mehr überwältigend, stehen aber bei den Invest-Plänen weit oben. Rund 45 % glauben, dass sich auch bei Kühlung, Klima und Lüftung mehr als 25 % sparen lassen. Fazit: Das, was ohnehin anfällt, wird auch gern gemacht (sprich: turnusmäßige Hardware-Erneuerungen); bei Sonderinvestitionen, die größere Einsparungen bringen könnten, hält man sich dagegen zurück. Immerhin 83 % der Befragten kennen ihren Jahresstromverbrauch, und 76 % wissen, welche PUE (Power Usage Effectiveness) ihr Rechenzentrum hat.

Hochschul- und Forschungsrechenzentren sind zumindest nach den Daten dieser Untersuchung keinesfalls die Vorreiter. Zwar haben sie bei der Stromerzeugung rund doppelt so viel Energie eingespart wie der Durchschnitt, ansonsten liegen sie aber nur bei der Nutzung von IT-lastigen Einsparmaßnahmen geringfügig über dem Mittelwert der Befragten: bei Investitionen in energieeffiziente Datenspeichersysteme und Server. Viel seltener als im Durchschnitt der Rechenzentren wurden Kühl- und Klimatechnik, USV- und Stromverteilungstechnik sowie das Netzwerk als Themen für Energiesparinvestitionen genannt. Das könnte daran liegen, dass bei diesen Einrichtungen, die in der Regel von vielen Institutionen genutzt werden, der Fokus besonders stark auf höchster Verfügbarkeit und Leistung liegt. Immerhin gehen Hochschulrechenzentren davon aus, dass sie in Zukunft keine zusätzlichen oder weniger Flächen brauchen werden. So geben etwa 30 % an, der Flächenbedarf werde sich um 5 bis 25 % verringern, weitere etwa 8 % prognostizieren sogar einen Rückgang um mehr als 50 %. Es werden hier mehr Server benötigt, ohne dass deswegen der Strombedarf steigen soll.

Innovationen in der Nische

Dabei wären Technologien, die dazu beitragen, den Verbrauch zu drosseln, inzwischen durchaus verfügbar. Aber eine kombinierte Strom-Kältekopplung nutzen nur 15 % oder erwägen ihn kurzfristig, immerhin 22 % sind grundsätzlich daran interessiert. Hot Fluid Computing, also die Flüssigkühlung, indem man die IT-Komponenten in eine Inert-Flüssigkeit hängt, die durch Zirkulation und Wärmeentzug temperaturstabil gehalten wird, nutzen 17 % oder wollen das kurzfristig, weitere 14 % sind daran interessiert.

Dass dies so ist, könnte nicht nur an der Umweltindolenz deutscher RZ-Betreiber liegen, sondern auch an der Situation des internationalen RZ-Markts, auf dem die Bedeutung deutscher und europäischer Rechenzentren tendenziell abnehmen soll. Das verwundert nicht, sinkt doch durch das Erstarken von Schwellenökonomien wie Indien und insbesondere China insgesamt die weltwirtschaftliche Bedeutung der alten Industrienationen. Etwas anderes wäre nur unter der Beibehaltung gravierender weltwirtschaftlicher Ungleichgewichte möglich. Der Anteil der EU am weltweiten RZ-Markt soll bis 2020 von 25 % im Jahr 2010 auf 21 % im Jahr 2020 abnehmen, der deutsche Anteil im selben Zeitraum von 4,9 % auf 3,9 %.

Nach positiven und negativen Standortfaktoren und gleichzeitig nach deren Qualität in Deutschland befragt, halten die Umfrageteilnehmer eine zuverlässige Stromversorgung, Anbindungen an Internet-Knoten, Datenschutz und Rechtssicherheit für die wichtigsten Faktoren, dicht gefolgt von der Verfügbarkeit von Fachkräften und der Qualität von Zulieferern und Dienstleistern. Nicht ganz so wichtig, aber immer noch in der oberen Hälfte der Skala rangieren Themen wie sonstige Versorgungsinfrastruktur (Straßen, Flughäfen etc.), Strompreise und schnelle Genehmigungsprozesse. Am unwichtigsten, aber immer noch oberhalb der Mitte der Skala ist die Nähe zum Kunden, die mit Cloud-Geschäftsmodellen eindeutig an Bedeutung verliert.

Annähernd Kongruenz zwischen Bedeutung und Situation am Standort Deutschland besteht bei Datenschutz und Rechtssicherheit sowie bei der Qualität von Zulieferern und Dienstleistern sowie bei der sonstigen Infrastruktur. Geringfügig größer als die Bedeutung des Faktors ist die Kundennähe in Deutschland, was durchaus mit der mittelständischen Struktur der RZ-Branche und damit zu tun haben dürfte, dass Deutschland breitflächig industrialisiert ist, sodass sich eben an vielen Orten Rechenzentren befinden. Geringfügig ins Negative tendiert die Verfügbarkeit von Fachkräften. Sehr viel besser könnte nach Meinung der Befragten die Situation bei Strompreisen und Genehmigungsprozessen sein. Dass die Mühlen im deutschen Baurecht langsam mahlen, ist ja sattsam bekannt, und genauso, dass Deutschland kein Strombilligland ist, zumal die meisten Data Center keinen Industriestrom beziehen.

Inzwischen sind Rechenzentren übrigens ein wichtiger Arbeitsmarktfaktor – laut Borderstep haben sie in den vergangenen drei Jahren mehr als 10.000 neue Arbeitsplätze geschaffen. Insgesamt beschäftigen Rechenzentren 130.000 Menschen direkt, 80.000 Menschen sind bei Zulieferern wie Baufirmen, Systemhäusern, Sicherheitsdiensten oder im Handwerk beschäftigt. In beiden Bereichen – Rechenzentren und Zulieferer – herrscht akuter Fachkräftemangel.

Künftige Handlungsfelder

Schließlich fragte Borderstep nach Zukunftsthemen. Eines davon sind erneuerbare Energien. Wie hoch deren Anteil an ihrem Stromverbrauch ist, wusste immerhin ein Drittel der Befragten nicht. Weitere 29 % konnten aber angeben, dass ihre Einrichtungen den gesamten Strom erneuerbar beziehen – und sei es in Form von Zertifikaten. Nur 9 % der Befragten gaben einen Anteil von erneuerbaren Energien an, der im einstelligen Bereich liegt oder gar bei 0.

Hinsichtlich der Abwärmenutzung zeigt sich ein Hoffnungsschimmer am Horizont. Denn inzwischen planen – neben den etwa 30 %, die die Technologie umfangreicher nutzen und damit auch schon Einsparungen erreichen konnten – weitere 24 %, bei der nächsten Modernisierung oder einem Neubau diese Technologie zu implementieren. Andererseits nutzen 35 % derzeit keine Abwärme und haben es auch weiterhin nicht vor – verschenkte Energie, könnte man sagen. Das liegt laut der Mehrheit der Befragten vor allem (ca. 57 %) daran, dass im Einzelfall keine wirtschaftliche Nutzung möglich ist, warum auch immer. Rund 45 % geben an, keinen Abnehmer für die Abwärme zu haben, jeweils etwa 27 % beklagen die zu geringe Temperatur oder zu hohe Investitionen.

Mit dem in den kommenden Jahren zu erwartenden Zwang zum Umstieg auf HFKW-freie Kältemittel beschäftigen sich die RZ-Betreiber zu einem Drittel noch nicht, weitere 25 % sehen keinen akuten Handlungsbedarf, nur 3 % haben den Technologiewechsel schon vollzogen.

Flüssigkühlung wird vor allem von Hochschul- und Forschungsrechenzentren propagiert – obwohl Luft ein sehr schlechter Wärmeleiter ist und die IT-Dichte in den RZ immer weiter zunimmt. Doch 40 % der Befragten wollen trotzdem auf keinen Fall Wasser im RZ – eine Einstellung, die sich wohl nur durch erfolgreiche Nutzungsbeispiele ändern wird. Genauso viele Antworten (40 %) finden die kombinierte Produktion von Strom und Kälte in Blockheizkraftwerken interessant, allerdings gibt es noch Informationsdefizite. Eine aktive Teilnahme am Strommarkt, zum Beispiel als Bereitsteller von Reservestrom, halten für sich 35 % der Befragten denkbar.

Energieeffizienz läuft nebenbei

Insgesamt scheint es unabweisbar, dass der Stromverbrauch von RZ weiter steigen wird – und dass die Investitionsbereitschaft gerade in neuartige Effizienztechnologien sich in Grenzen hält, sofern sie nicht im Rahmen der ohnehin fälligen IT-Investitionen „mitlaufen“. Eher fordern Data Center niedrigere Strompreise und drohen wegen mangelnder internationaler Konkurrenzfähigkeit mit der Abwanderung der Branche ins Ausland, wo der Strom billiger ist – ob die durch geringere Preise verbesserten Renditen allerdings in Effizienztechnik investiert werden würden, ist keinesfalls sicher.

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