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Klima überhitzt – grüne Rechenzentren müssen her!

Grüne Rechenzentren und Green IT sind zwingend erforderlich, um Klimaneutralität zu erreichen.
Bild: © markus dehlzeit / Adobe Stock

Klimaziele und Digitalisierung: Transformation Hand in Hand?

Das derzeitige Ambitionsniveau der Klima- und Energiepolitik Deutschlands und der EU steht fest: Bis 2030 sollen die Treibhausgasemissionen in Deutschland um mindestens 55 Prozent und EU-weit um 40 Prozent im Vergleich zu 1990 sinken. Ob man diese Ziele als ausreichend bezeichnen möchte, sei dahingestellt. Ambitioniert sind sie allemal. Tatsache ist, dass „das Internet“ einen gewaltigen Stromverbrauch aufweist und für einen beträchtlichen Anteil der Treibhausgasemissionen verantwortlich ist.

Der Europäische Green Deal fordert, Europa solle der erste klimaneutrale Kontinent werden. Die grüne und digitale Transformation sollten Hand in Hand gehen. Im Papier der Europäischen Kommission „Shaping Europe’s Digital Future“ wird explizit gefordert, dass Datacenter schon bis 2030 klimaneutral sein sollten. Die Realität ist momentan jedoch eine andere: Manchen Studien nach ist die Web-Infrastruktur für einen ebenso hohen Anteil der Emissionen verantwortlich wie die globale Luftfahrt, Tendenz steigend.

Bedarf läuft heiß: Wie kommt es zu so hohen Emissionen?

Schuld daran sind vor allem Server und Rechenzentren, die in immer größerer Zahl vorgehalten werden müssen, um den steigenden Bedarf an Rechenleistung zu befriedigen. Datacenter sind die weltweit am schnellsten wachsenden Energieverbraucher. Vorrangig verantwortlich für den gesteigerten Datenverkehr sowie den erhöhten Bedarf an Rechen- und Speicherkapazität ist die enorme Entwicklung und Nachfrage in diesen vier Bereichen:

  • Online-Streaming-Dienste,
  • 5G-Technologie, Innovationen des IoT und zunehmende Automatisierung
  • Cloud-Infrastruktur und
  • Kryptowährungen, basierend auf Blockchains (Bitcoin)

Daten sind in Zeiten der digitalen Revolution der Treibstoff der Weltwirtschaft, Rechenzentren die neuen Verbrennungsmotoren – Ihr Effekt aufs Klima mindestens ebenso verheerend. Schon in vier Jahren sollen Schätzungen zufolge Rechenzentren etwa 20 % des weltweit verfügbaren Stroms verbrauchen.

Der Bedarf an Rechenleistung hat sich seit 2014 verzehnfacht. Die Prognosen deuten auf eine weitere Verzehnfachung des Datenverkehrs in den kommenden 3 Jahren hin. Wir fragen Stefan Mink, Head of TechOps Hosting (Infrastructure) bei IONOS, verantwortlich unter anderem für den Betrieb der IONOS-Rechenzentren in Europa und den USA:

Könnte die erhöhte Nachfrage nach Rechenleistung nach jetzigem Stand noch bedient werden?

Stefan Mink: Allein im letzten Jahr haben wir dank der Corona-Pandemie bei IONOS fast eine Verdopplung des Traffics gegenüber 2019 verzeichnet. Im Netzwerkbereich ist dieses Wachstum oft durch die Inbetriebnahme zusätzlicher Netzwerkports relativ schnell zu managen. Wir haben 2020 unsere Außenbandbreite auf 1500 Gigabit in der Sekunde erhöht, und auch in diesem Jahr geht der Ausbau weiter. Und die modernen Cloud-Plattformen sind nahezu unendlich skalierbar.

Stefan Mink, Head of TechOps Hosting (Infrastructure) bei IONOS
Stefan Mink, Head of TechOps Hosting (Infrastructure) bei IONOS (Bild: © IONOS)

Bitcoin Mining unterminiert die Idealvorstellung „Grüne Rechenzentren“

Das Bitcoin Mining verbraucht laut dem Cambridge Bitcoin Electricity Consumption Index etwa 119,87 Terawattstunden Strom jährlich (Es handelt sich um einen Schätzwert. Der tatsächliche Verbrauch liegt zwischen 35 und 200 TWh). Das entspräche in etwa dem Stromverbrauch von Argentinien, Pakistan oder Norwegen. Die Frankfurter Allgemeine Zeitung bezeichnete den Bitcoin daher unlängst als „Schmuddelwährung Nummer eins“.

Eine einzige Bitcoin-Transaktion entspricht etwa

23 Tagen
Stromverbrauch eines amerikanischen Durchschnittshaushalts,
54000 Stunden
Video-Streaming bezüglich des CO2-Fußabdrucks und
2 Golfbällen
Elektromüll.

Drei Viertel aller Rechenzentren nutzen nach eigenen Angaben bereits erneuerbare Energien. In China und Zentralasien allerdings genügen die durch Wind- und Wasserkraft erzeugten Energiereserven nicht, um die Erzeugung von Bitcoins zu gewährleisten. Das Beispiel Bitcoin zeigt, wie immens der Bedarf an Rechenleistung binnen kürzester Zeit steigen kann, und erinnert gleichzeitig daran, wie dringlich erhebliche Anstrengungen hin zu einer Green IT und grünen Rechenzentren sind.

Nachfrage nach Green IT und grünen Rechenzentren als Innovationstreiber

Ein Ende der Nachfrageentwicklung ist keineswegs in Sicht. Vor allem die Bereiche IoT, Automatisierung und 5G werden die Geschicke der Weltwirtschaft in den nächsten Jahren immens beeinflussen. Datenmengen und Datenströme werden anschwellen. Ist die Lösung also wie bisher, weitere Rechenzentren zu bauen?

Nein, bereits heute wehren sich Städte wie Amsterdam gegen die Errichtung neuer Rechenzentren, da sie das städtische Stromnetz belasten und einen hohen Kühl- und Energiebedarf aufweisen. Der Weg Richtung Zukunft führt definitiv nicht über mehr Server. Es gilt vielmehr, die wachsende Nachfrage als Innovationstreiber zu nutzen, um intelligente Lösungen zu finden: Existierende Rechenzentren müssten optimiert, die Auslastung von Servern gesteigert, Kühltechnologien energieeffizienter genutzt werden.

Effizienzsteigerung und Kosteneinsparung liegt selbstverständlich im besten Interesse der Betreiber von Rechenzentren. Nachhaltige IT und die Idee von grünen Rechenzentren rücken auch aufgrund eines veränderten Verhaltens großer institutioneller Investoren zunehmend in den Mittelpunkt. Anleger wie Kunden drängen mit immer größerer Vehemenz auf Nachhaltigkeit, Corporate Digital und Social Responsibility. Die Rufe nach einer verantwortungsvollen Digitalisierung sind bereits laut. Der Druck auf Betreiber wächst.

Wie kann ein Rechenzentrum nachhaltig arbeiten und kann es überhaupt jemals klimaneutral betrieben werden?

Stefan Mink: Natürlich brauche ich für ein Rechenzentrum eine Menge Equipment, bei dessen Herstellung CO2 entsteht. Beim Betrieb des Rechenzentrums sieht das anders aus – seit 2007 nutzen wir in unseren Rechenzentren ausschließlich Strom aus erneuerbaren Quellen: wo es geht, direkt vom Energieversorger, an wenigen Standorten über den Kauf entsprechender Zertifikate. Und im Rechenzentrum selbst sparen wir Energie, wann immer es möglich ist, etwa über besonders verlustarme Netzteile oder spezielle Kühlungssysteme. Gemeinsam mit einem Partner sorgen wir außerdem dafür, dass alte Hardware umweltschonend recycelt wird.

Stichwort „verantwortungsvolle Digitalisierung“: Was bedeutet dieser Begriff für IONOS?

Stefan Mink: Verantwortung für Umwelt und Gesellschaft ist ein Kernwert von IONOS. Wir sprechen hier von Corporate Digital Responsibility, und natürlich sind wir hier als größter Hostinganbieter in Europa besonders gefordert. Dazu gehören Themen wie Meinungsfreiheit, aber auch vor allem Datenschutz und -Sicherheit. Entsprechend hinterfragen wir hier sämtliche unserer Aktivitäten – und berichten auch transparent darüber im Nachhaltigkeitsbericht unserer Mutterfirma United Internet.

Hoffnung für grüne Rechenzentren: Welche Lösungsansätze sind vielversprechend?

Die Probleme, die auf dem Weg zum klimaneutralen Datacenter zu lösen sind, sind zahlreich. Eine einzige Lösung kann es daher nicht geben. Vielmehr gibt es eine Vielzahl verschiedener Ansätze und Entwicklungen, die eines oder mehrere dieser Probleme lösen könnten. Der Umbruch hin zu nachhaltiger IT und grünen Rechenzentren erfordert ein Umdenken sowie eine Weiterentwicklung auf breiter Ebene, allen voran in folgenden Bereichen:

  • Kühlungssysteme und Kältetechnik
  • Data Center Infrastructure Management (DCIM), Konsolidierung und Verdichtung von Rechenzentren
  • Klimaneutralität bei der Energieerzeugung

#1 Kühlungssysteme und Kältetechnik

Rechenzentren der Zukunft müssen mit einer deutlich höheren Leistungsdichte betrieben werden. Umso mehr wird es daher auf eine innovatives Klimatisierungskonzept und leistungsstarke Kältetechnik ankommen, denn etwa ein Drittel des Energiebedarfs im Datacenter entfällt im Schnitt auf den Betrieb der Kühlsysteme. Energiebereitstellung ist zugleich der zweitgrößte Kostenfaktor im Rechenzentrum nach Personal- und Wartungskosten. Eine höhere Energieeffizienz, Reduktion von CO2-Emissionen und Steigerung der Nachhaltigkeit liegen hier also durchaus auch im wirtschaftlichen Interesse der Betreiber.

Obwohl sie längst nicht die ideale Lösung darstellt, wird sich Flüssigkeitskühlung wohl mittelfristig weiter durchsetzen. Luftkühlung wird nämlich allein nicht ausreichen, da die Dichte von Racks und Servern innerhalb der Rechenzentren zugunsten einer optimierten Raumnutzung und Auslastung zunehmen wird. Immerhin: Der Bedarf an Lüftern wird auf diese Weise minimiert und die platzsparende Bauweise moderner Kühltechnik ermöglicht eine effizientere Flächennutzung.

Eine noch vergleichsweise energieeffiziente, langfristig jedoch nicht ausreichende Methode zur Kühlungseffizienzsteigerung stellt die indirekte Außenluft-Kühlung dar. Sie reduziert den Gesamtenergieverbrauch und erzielt so eine Power Usage Effectiveness (PUE) von bis zu 1,15. Effektiv bedeutet dies aber, dass das Rechenzentrum immer noch 15 % mehr Energie verbraucht als die reine IT-Infrastruktur.

Allein ist dies kein Garant für Klimaneutralität, der KPI „PUE“ ist kein sinnvoller Maßstab für Energieeffizienz. Gerade im Bereich der Kühltechnologien wird klar: Es braucht eine Mischung aus technischer Innovation, Best Practices, durchdachter Regulierung und sinnvoller Zertifizierung, um schnell signifikante Fortschritte zu erzielen.

Grüne Rechenzentren brauchen innovative Kühltechnologien.
Bild: © WIROT / Adobe Stock

#2 Neue Konzepte im Data Center Infrastructure Management (DCIM)

Mit dem Aufkommen und der Verbreitung neuer datenintensiver Technologien wird auch Rechenzentren in höherem Maß Flexibilität und Skalierbarkeit abverlangt. Dazu ist ein effizient und automatisiert arbeitendes Data Center Infrastructure Management notwendig, das automatisiert und datenbasiert die Leistung des Rechenzentrums erfasst, steuert und auch den Bedarf an Kühlung entsprechend anpasst. Die Rechnung ist einfach: Je genauer, zuverlässiger und flexibler diese Systeme reagieren, desto effizienter lässt sich ein Datacenter betreiben. Die Weiterentwicklung dieser Systeme ist daher ein Schlüssel.

Parallel gilt natürlich weiterhin, die Konsolidierung von Rechenzentren voranzutreiben, Standorte von Datacentern zusammenzulegen sowie die Hardware weiter zu verdichten, um den Bedarf an physischer Fläche und somit auch den Energiebedarf weiter zu reduzieren. In all diesen Bereichen ist noch sehr viel Luft nach oben:

  • Auslastung der Server
  • Energieeffiziente Algorithmen
  • Mehrfachspeicherung von Daten
  • Verlagerung der Rechenlast dorthin, wo regenerative Energie gerade günstig ist

Bezüglich der Hardware existiert ebenfalls gehöriger Optimierungsbedarf:

  • Verlängerung der Einsatzzeit von Geräten
  • Erhöhung der Recycling-Quote von Hardware
  • Entwicklung von Materialalternativen zu giftigen Stoffen und seltenen Erden

Welche Veränderungen notwendig sind, um bestehende Strukturen in Rechenzentren effizienter nutzen zu können und höhere Auslastungen zu erzielen, weiß Stefan Mink:

Stefan Mink: Tatsächlich hat ein Kernelement der Cloud-Technologie schon viel bewirkt – die Virtualisierung. Anfang der 2.000er-Jahre sind Dedicated Server populär geworden, also Mietrechner, die ein Kunde für sich alleine nutzt. Wir wissen aber, dass viele Anwender nur einen Bruchteil der Kapazitäten genutzt haben, trotzdem verbraucht ein Server im Rechenzentrum natürlich immer Strom. In der Cloud teilen sich nun viele Anwender Kapazitäten, sodass wir eine viel bessere Auslastung erzielen. Und dieser Trend setzt sich bis heute fort. Darüber hinaus arbeiten wir permanent daran, noch effizientere Klimatisierungsverfahren zu finden.

Stromverbrauch senken, Serverauslastung optimieren, Konsolidierung von Rechenzentren und Flächenminimierung, effizientere Kühlsysteme anschaffen, effizientere Architektur bei Neubauten… Wo gilt es zuvorderst anzugreifen, und seht ihr, dass eure Wettbewerber da ausreichend aktiv werden?

Stefan Mink: Der wichtigste Hebel ist die Serverauslastung. Ein Rechner hat im Betrieb eine bestimmte Basislast. Wenn dann aber mehr Rechenleistung benötigt wird, steigt der Stromverbrauch nicht mehr linear, sondern gerade am Ende nur noch minimal. Wir schauen uns aber permanent jeden einzelnen dieser Punkte an und suchen darüber hinaus nach weiteren Elementen, die uns helfen, Energie zu sparen. Im Vorteil sind Anbieter, die neue Rechenzentren bauen oder alte ersetzen – dann lassen sich viele Fehler vermeiden und neueste Technologien einsetzen. Letztlich bekommen alle Anbieter Druck von zwei Seiten – zum einen spielt das Thema Nachhaltigkeit heute in der Öffentlichkeit und damit auch für die Kunden eine viel größere Rolle als noch vor zehn oder gar 20 Jahren, zum anderen spart jedes Watt Strom, das ein Rechenzentrum weniger verbraucht, schlicht und einfach Geld.

Stefan Mink verantwortet unter anderem den Betrieb der IONOS-Rechenzentren in Europa und den USA
Stefan Mink verantwortet unter anderem den Betrieb der IONOS-Rechenzentren in Europa und den USA. (Bild: © IONOS)

#3 Rest- und Abwärmenutzung

Rechenzentren sind nicht nur Energieverbraucher. Ein Großteil der zugeführten elektrischen Energie wird in thermische Energie umgewandelt. Die produzierte Abwärme macht Datacenter zu immer größeren Wärme-Erzeugern. Die Vision besticht: Da vor allem in Metropolen ein hoher Rechnerbedarf besteht, könnte die dort erzeugte Wärme am effizientesten wiederverwendet werden, um Büro- und Wohngebäude oder Treibhäuser zu beheizen oder Warmwasser zu erzeugen.

Das Problem: Die Abwärme von Rechenzentren reicht nicht für Heizzwecke aus. Dieses vielversprechende Feld bedarf weiterer Forschung und technischer Ideen. Ein Demoprojekt zeigte jedoch, dass Datacenter-Abwärme bereits genutzt werden kann, um Brennstoffzellen zusätzlich zu erwärmen, die wiederum ganze Stadtviertel mit Wärme versorgen. Die erneute Verwendung von Energie fordert „Shaping Europe’s Digital Future“, das Papier der Europäischen Kommission, auch ganz konkret.

Weltweit sind Rechenzentren die am schnellsten wachsenden Energieverbraucher und werden bald 4 bis 6 Prozent des weltweit erzeugten Stroms beanspruchen. Gleichzeitig werden sie zu bedeutenden Wärme-Erzeugern. Gibt es Perspektiven, diese Wärme in großem Maßstab sinnvoll zu nutzen?

Stefan Mink: Das kommt auf den Standort an. Wenn das Rechenzentrum direkt an Bürogebäude, am besten des Betreibers, grenzt, lässt sich die Abwärme nutzen. Aber im Vergleich zu einem klassischen Heizkraftwerk ist die Leistung dann doch zu gering. Ein weiterer Hebel könnte eine Wasserkühlung sein – damit lässt sich die Temperatur des Kühlwassers erhöhen und eine „Zweitverwertung“ wird einfacher.

#4 Energieerzeugung: Problem bei der Wurzel packen oder Schwarzen Peter abgeben?

Eine weitere Forderung des Papiers der Europäischen Kommission ist die Nutzung erneuerbarer Energiequellen. Natürlich, allein darauf zu vertrauen, dass zum Stichtag die Energieerzeugung vollständig klimaneutral ablaufen wird, ist blauäugig und reicht allein bei Weitem nicht aus. Allerdings ist eine klimaneutrale und nachhaltige Energiegewinnung ein unverzichtbarer Baustein, um den vollständig klimaneutralen Betrieb von Datacentern und somit grüne Rechenzentren erreichen zu können.

Schon jetzt erweist sich Wasserkraft als dominante Energiequelle zum Betrieb skandinavischer Rechenzentren. Auch deutsche Betreiber wie IONOS setzen längst auf Strom aus Wasserkraft und beziehen über die Naturstrom AG ihren Strom derzeit zu 100 % aus Wasserkraftanlagen. Allerdings kommt es auch darauf an, wo der Strom erzeugt wird. Kaufen deutsche Rechenzentren grünen Strom in Schweden und bringen so schwedische Betreiber dazu, stattdessen Atomstrom zu nutzen, geht die Rechnung am Ende für alle Beteiligten nicht auf.

Währenddessen steigt die Leistungskapazität von Solar- und Windenergie erheblich. Vor allem der Solarenergie wird durchaus das Potenzial zugeschrieben, den Energiebedarf eines grünen Rechenzentrums auch durch lokale Energieerzeugung langfristig decken zu können. Weitere Alternativen wie Wasserstoff-Brennstoffzellen bergen noch schwer einschätzbares Potenzial, sind jedoch schon jetzt als Alternative zu Dieselgeneratoren für die Notstromversorgung im Gespräch.

Sind Solar- und Windenergie oder perspektivisch Wasserstoff-Brennstoffzellen zumindest für die Notstromversorgung vielleicht ebenfalls eine Option?

Stefan Mink: Grundsätzlich schauen wir uns alle Entwicklungen an. Aktuell ist an den Standorten unserer Rechenzentren Windkraft am häufigsten verfügbar. Gerade bauen wir ein neues Rechenzentrum in Großbritannien, bei dem wir erstmals auch selbst Solarzellen auf dem Gebäudedach betreiben. Das Thema Brennstoffzellen als Ersatz für Netzersatzanlagen ist ein spannendes Thema, das wir mit Interesse beobachten.

Was plant ihr, um euren CO2-Fußabdruck in den nächsten 10 Jahren noch weiter zu verkleinern?

Stefan Mink: Optimieren, optimieren, optimieren. Wir haben 2019 ein ISO-50001-Energiemanagementsystem eingeführt, mit dem wir unseren Energieverbrauch kontinuierlich messen und verbessern. Wir prüfen neue Kühltechniken und planen neue Rechenzentren modular. Und wir erstellen eine Klimabilanz für das gesamte Unternehmen, um wirklich alle Hotspots zu identifizieren, die für die Verursachung von Emissionen wesentlich sind.

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