Wichtige Kennzahlen für den IT-Betrieb – Optimale Energieeffizienz im Rechenzentrum

Digitale Geschäftsmodelle, Cloud Computing und Big-Data-Analysen sind nur einige der vielen Treiber, die den Bedarf nach mehr Rechenleistung vorantreiben. Für IT-Manager bedeuten zusätzlich installierte Kapazitäten aber auch, dass die Energiekosten für das Rechenzentrum in den Mittelpunkt wirtschaftlicher Analysen rücken. Mit welchen Kennzahlen Unternehmen die Kosteneffizienz ihrer IT-Infrastruktur bewerten sollten, zeigt der folgende Beitrag.

Die Mega-Rechenzentren von Forschungseinrichtungen oder großer Cloud- und Collocation-Anbieter umfassen heute mehrere 10.000 m2 an Stellfläche. Die dort installierten IT-Systeme sowie die Gebäudeinfrastruktur benötigen Energiemengen im zweistelligen Megawattbereich. Daher haben Rechenzentren auch einen wachsenden Anteil am globalen CO2-Ausstoß. Die Global E-Sustainability Initiative (GeSI) prognostiziert, dass der Anteil der ITK am weltweiten CO2-Ausstoß von 1,3 Prozent im Jahr 2002 auf 2,3 Prozent im Jahr 2020 ansteigen wird. Die Emission von Treibhausgasen zu senken, ist nicht nur eine politische und gesellschaftliche Aufgabe, sondern sie geht einher mit der Einsparung von Stromkosten und ist daher für jeden Betreiber von Rechenzentren relevant. Zudem kann ein effizient und nachhaltig genutztes Rechenzentrum auch ein wichtiger Wettbewerbsfaktor im Rahmen einer »Green IT Policy« sein.

Einer der großen Kostenblöcke im IT-Betrieb ist die Kühlung: Je nach Effizienz des Rechenzentrums entfällt bis zu einem Drittel der zugeführten Energie auf die Kühltechnik. Um die Effizienz physischer IT-Infrastrukturen zu analysieren, sollten sich IT-Manager an zehn zentralen Kennzahlen orientieren.

Einer der bekanntesten Werte ist die Power Usage Effectiveness (PUE). Der PUE-Faktor gilt als ein Leitwert für die Energieeffizienz einer Anlage. Bei einem Rechenzentrum gibt er den Anteil an elektrischer Energie an, die nicht in Rechenleistung umgewandelt wird. Ein PUE von zwei bedeutet, dass für jedes Kilowatt, das die Server und die IT-Infrastruktur verbrauchen, ein weiteres Kilowatt durch Umgebungsdienste wie Klimatisierung und Stromverteilung benötigt wird. Der Industriestandard liegt bei einem PUE von 1,4, während sehr homogen aufgebaute, mit weitgehend konstanter Leistung betriebene und entsprechend optimierte Rechenzentren Werte von 1,2 oder besser erreichen.

Warum aber erreichen in der Praxis so wenig Unternehmen diese Zahlen? Dies hat eine ganze Reihe von Gründen, aber fast immer sind veraltete und falsch konzipierte Kühlsysteme sowie ineffiziente Stromversorgungen daran beteiligt.

Wie relevant ist der PUE wirklich? Für sich alleine genommen macht der PUE als Metrik keine Aussage darüber, ob wirklich Strom eingespart wird. Die PUE-Angabe sagt noch nichts über den Gesamtverbrauch eines Rechenzentrums aus. Wird zum Beispiel die Server-Einblastemperatur höher gelegt, so sinkt der zu Kälteerzeugung benötigte Stromanteil. Ist die Temperatur jedoch so hoch, dass die Ventilatoren der Server auf Volllast gehen, steigt der Stromverbrauch der IT-Geräte. So wird zwar der PUE vordergründig besser, der Stromverbrauch steigt jedoch an. RZ-Betreiber sollten daher den PUE lastabhängig betrachten. Bei niedriger Server-Last fällt zum Beispiel der Wert schlechter aus, da hier die Basisinfrastruktur wie USV und Kälteversorgung stärker ins Gewicht fallen.

Sinnvoll ist daher, mithilfe des partiellen PUE (pPUE) nur einen Teilbereich der IT-Umgebung zu bewerten. So ist es zulässig, bei der Berechnung des pPUE die Kälteerzeugung mit einem Freikühler beziehungsweise Chiller nicht zu berücksichtigen. Das Ergebnis zeigt dann, wie effizient ein Rechenzentrum oder ein Modul ohne die externe Kälteerzeugung arbeitet. Die Schnittstelle des pPUEs wäre in diesem Falle die Gebäudegrenze der Technik- und Server-Räume.

Das Rittal Computer Multi Control (CMC) III ist ein Alarmsystem für Netzwerk und Serverschränke, Schaltschränke, Rechenzentrumscontainer sowie IT-Sicherheitsräume. Es überwacht Temperaturen, Luftfeuchtigkeit, Zugang Rauch, Energie und viele weitere physische Umgebungsparameter.

Das Rittal Computer Multi Control (CMC) III ist ein Alarmsystem für Netzwerk und Serverschränke, Schaltschränke, Rechenzentrumscontainer sowie IT-Sicherheitsräume. Es überwacht Temperaturen, Luftfeuchtigkeit, Zugang Rauch, Energie und viele weitere physische Umgebungsparameter.

Eine weitere wichtige Effizienzkennzahl ist die Data Center Infrastructure Efficiency, kurz DCiE. Dieser Wert ist als der Kehrwert des PUEs definiert: Alle IT-Geräte wie Server, Switche oder Storage-Systeme stehen in Relation zur Gesamtleistung des Rechenzentrums (IT-Infrastruktur und IT-Geräte). Der DCiE wird als eine Prozentzahl angegeben – ein ideales Rechenzentrum hätte somit einen DCiE-Wert von 100 Prozent. Um die Nachhaltigkeit abzusichern, sollte eine Betrachtung von PUE und DCiE anhand von Trendanalysen erfolgen, die den Jahresverlauf wiedergeben. Dies ist notwendig, da die Kälteerzeugung von den äußeren klimatischen Einflüssen des jeweiligen Standorts abhängig ist.

Wie nachhaltig arbeitet die IT? Die Metrik CUE (Carbon Usage Effectiveness) wurde von dem ITK-Verband »The Green Grid« definiert, um den PUE zu ergänzen. Hiermit wird die nachhaltige Nutzung der elektrischen Energie eines Rechenzentrums beschrieben. Ein ideales Rechenzentrum produziert demnach gar keinen CO2-Ausstoß und hätte einen CUE von »0«.

Die Berechnung des CO2-Ausstoßes pro kWh verbrauchten Stroms erfolgt länderspezifisch, da diesem der jeweilige Mix aus Atomstrom, Kohle und Gas sowie erneuerbare Energien zugrunde liegt. In Deutschland berechnet das Bundesumweltamt den zur Kalkulation benötigten Faktor.

Mit intelligenten PDUs können Administratoren die Fernwartung vereinfachen. Ist ein IT-Schrank beispielsweise schwer zugänglich oder muss die Anlage auch am Wochenende betreut werden, ist eine PDU mit schaltbaren Steckern eine gute Hilfe, da sich per Fernzugriff einzelne Steckdosen schalten lassen.

Mit intelligenten PDUs können Administratoren die Fernwartung vereinfachen. Ist ein IT-Schrank beispielsweise schwer zugänglich oder muss die Anlage auch am Wochenende betreut werden, ist eine PDU mit schaltbaren Steckern eine gute Hilfe, da sich per Fernzugriff einzelne Steckdosen schalten lassen.

Wasserverbrauch im Blick haben.  In vielen Rechenzentren wird Wasser für die IT-Kühlung verwendet. Beispielsweise muss bei direkter Freikühlung unter Umständen die Luftfeuchte korrigiert werden und bei der adiabatischen Kühlung werden Luft-Luft-Wärmetauscher mit Wasser besprüht. Darüber hinaus ist ein wasserbasiertes Kühlkonzept in vielen IT-Umgebungen immer noch die effizienteste Lösung. Der Verband »The Green Grid« definierte daher die Kennzahl WUE (Water Usage Effectiveness), mit der die Verwendung von Wasser im Verhältnis zum Stromverbrauch der IT-Komponenten gesetzt wird. Der jährliche Wasserverbrauch steht damit in Relation zur Gesamtleistung der aktiven IT-Komponenten. Die Einheit des WUE ist Liter pro Kilowattstunde (l/kWh).

Die Kälte vermessen. Eine Kennzahl zur Bewertung von Kühlsystemen ist die Energy Efficiency Ratio (EER). Definiert wird hier das Verhältnis der Kühlleistung zur aufgenommenen elektrischen Leistung. Je größer dieser Wert ausfällt, desto effizienter wird die elektrische Energie genutzt, um Kälte zu erzeugen. Darüber hinaus wird die Metrik COP (Coefficient of Performance) verwendet. Diese gibt bei einer Wärmepumpe oder Kältemaschine das Verhältnis der Änderung der Wärme zu der dazu aufgewandten Arbeit (Kühlleistung /aufgewandte Arbeit) an. Die Normen DIN EN 255 und DIN EN 14511 beschreiben, wie COP und EER zu ermitteln sind, sodass Leistungsdaten zu Kältemaschinen miteinander vergleichbar werden.

Bei ausreichend niedrigen Außentemperaturen von weniger als 10 Grad Celsius kann die Kühlung über den ohnehin notwendigen Freikühler erfolgen. So lassen sich Betriebskosten für Gebäude und Rechenzentrum sparen.

Bei ausreichend niedrigen Außentemperaturen von weniger als 10 Grad Celsius kann die Kühlung über den ohnehin notwendigen Freikühler erfolgen. So lassen sich Betriebskosten für Gebäude und Rechenzentrum sparen.

Da die Effizienz eines Kältesystems auch von den äußeren klimatischen Bedingungen abhängig ist, gibt es mit der ESEER/SEER (European / Seasonal Energy Efficiency Ratio) eine Kennzahl, um die Temperaturschwankungen der Jahreszeiten zu berücksichtigen. Damit lässt sich der EER-Wert auf die jeweiligen äußeren Temperatureinflüsse anpassen.

Leistung einer USV bewerten. Der Leistungsfaktor einer USV ist eine Kennzahl für das Maß der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung des Wechselstroms, wie er aufgrund kapazitiver oder induktiver Wirkungen auftritt. Angegeben wird der Kosinus des Phasenverschiebungswinkels. Je näher der Leistungsfaktor an der Zahl »1« ist, desto effizienter arbeitet das USV-System. Der eingangsseitige Leistungsfaktor einer USV ist zudem lastabhängig und wird in der Regel für verschiedene Belastungen angegeben. Da aus der Batterie ein reiner Sinus erzeugt wird, ist der Leistungsfaktor auf der Ausgangseite »1«.

Die AC-AC-Effizienz ist eine weitere USV-Kenngröße. Diese wird aus der Relation von Ausgangsleistung zur Eingangsleistung berechnet. Aufgrund der internen Verluste einer USV ist die Effizienz von der Last abhängig. Die Effizienz ist umso besser, je stärker ein USV-System ausgelastet ist.

Fazit. Um die Effizienz eines Rechenzentrums sinnvoll zu bewerten, sollten IT-Manager das Gesamtsystem betrachten. Ein Katalog unterschiedlicher Kenngrößen liefert die Grundlage für eine systematische Analyse. So werden Verbesserungen gegenüber den Vergleichsmonaten des Vorjahres sichtbar und es lassen sich Ursachen für Abweichungen von den Zielwerten erkennen. Eine Aufbereitung als Trendanalyse hilft dabei, die Ursachen für Abweichungen so darzustellen, dass die Informationen auch für andere Fachbereiche sowie für das Management verständlich werden. Weiterhin lassen sich über Metriken einzelne Komponenten und ganze Gewerke einstufen, um so die Lösungen verschiedener Anbieter zu vergleichen.


Bernd Hanstein,
Hauptabteilungsleiter Produktmanagement IT,
Rittal, Herborn

 

 

 

Bilder: © Rittal

 

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