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Optimierte USV-Wirkungsgrade

Bild 1. Rechenzentren und Serverräume verbrauchen so viel Energie, dass eine Wirkungsgradoptimierung viel Geld sparen kann. Die Ursache für ihren schlechten Wirkungsgrad ist meist die Überdimensionierung (Quelle: APC by Schneider Electric)

Bild 2. Um den Wirkungsgrad von Rechenzentren und Serverräumen korrekt zu berechnen, müssen die Verbräuche der anderen Komponeten im Stromkreis berücksichtigt werden (Quelle: APC by Schneider Electric)

Strom stand in Rechenzentren und Serverräumen bislang einfach zur Verfügung – das Geld dafür spielte kaum eine Rolle. Mit steigenden Energiepreisen entwickeln sich die Ausgaben für Strom jedoch zu einem relevanten Faktor für die Kalkulation. Zurzeit liegen die Kosten um 1 kW für ein Jahr zu betreiben bei ca. 1 000,- € – Tendenz steigend. Berechnet man die Kosten über einen Zeitraum von zehn Jahren, kann durchaus ein Betrag von 30 000,- € bei 3 kW pro Rack bis 200 000,- € bei 20 kW pro Rack zusammen kommen. Dementsprechend wichtig ist es die Wirkungsgrade zu kennen. Ein neues Modell hilft dabei diese realistisch zu beurteilen.

Diese gegebenenfalls recht hohen Kosten sind ein guter Grund, nach Einsparmöglichkeiten zu suchen – und das auf breiter Ebene: Schließlich verbrauchen Rechenzentren und Serverräume Schätzungen zufolge ca. 2 % der weltweit produzierten elektrischen Leistung. Wer es schafft diesen Wert zu verringern, spart nicht nur viel Geld, sondern erspart auch der Umwelt eine Menge Belastung.

Wirkungsgrad ist eine Frage der Definition
Die Definition des Wirkungsgrads ist einfach: Die Effizienz eines Geräts oder Systems ist der Anteil der elektrischen Leistung, der in das gewünschte Ergebnis umgewandelt wird. Alles, das nicht als nutzbares Ergebnis erachtet wird, ist sogenannter „Verlust“. Den Anteil der nutzbaren Leistung im Vergleich zur Gesamtleistung wird als Prozentzahl angegeben.
„Nutzbar“ ist das, was als das gewünschte Ergebnis für ein bestimmtes System erachtet wird. Das hängt nicht nur von der Art des Systems ab, sondern auch vom Kontext der Verwendung. Beispielsweise hat eine Glühlampe, die 5 % Licht und 95 % Wärme abgibt, einen Wirkungsgrad von 5 % als Leuchtmittel oder einen Wirkungsgrad von 95 % als Heizkörper, je nachdem ob sie als Licht- oder als Wärmequelle in einem Raum verwendet wird. Als „Nutzprodukt“ gilt somit alles, was unter den jeweiligen Umständen für das System einen Sinn ergibt.
Bezogen auf Rechenzentren und Serverräume bedeutet dies, dass deren elektrische Systeme zu modellieren sind. Dabei ist die „Gesamtleistung“ der Stromverbrauch vom Versorgungsnetz und das „nutzbare Ergebnis“ ist die Strommenge, die für die Datenverarbeitung bereitgestellt, das heißt, die tatsächlich an die IT-Geräte geliefert wird.

Im Idealfall hätten Rechenzentren und Serverräume einen Wirkungsgrad von 100 %. Dann würde die gesamte zugeführte Energie die IT-Geräte erreichen. Diese müssen jedoch angemessen untergebracht, mit Strom versorgt, gekühlt und geschützt werden, damit eine ordnungsgemäße Datenverarbeitung möglich ist. In der Praxis verbrauchen außerdem auch andere Geräte, die für den Betrieb von Rechenzentren und Serverräumen notwendig sind, elektrische Energie. Solche Stromverbraucher sind zum Beispiel Transformatoren, unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV), Verkabelung, Lüfter, Kompressoren, Klimaanlagen, Pumpen, Befeuchter und Beleuchtung. Alle diese „unterstützenden“ Systeme – NCPI (physikalische Infrastruktur für hoch verfügbare Netzwerke) genannt – produzieren „Verlust“, da sie nicht dazu dienen Daten zu verarbeiten, sondern lediglich unterstützende Funktionen haben.

Wege zur Wirkungsgradsteigerung
Der Wirkungsgrad lässt sich durch drei Möglichkeiten steigern:
• Durch die Verbesserung des internen Designs der NCPI-Komponenten, um im Betrieb einen niedrigeren Stromverbrauch zu gewährleisten.
• Durch die bessere Anpassung der Dimensionierung der NCPI-Komponenten an die tatsächliche IT-Last, was den Wirkungsgrad der Komponenten erhöht.
• Durch die Entwicklung neuer Technologien zur Verringerung des Strombedarfs für NCPI-Komponenten.
In der Praxis berechnet kaum jemand den Wirkungsgrad seiner Komponenten. Viele IT-Verantwortliche verlassen sich diesbezüglich bei großen Komponenten, wie USV und Klimaanlage, auf die Herstellerangaben. Um eine korrekte Beurteilung zu ermöglichen, sind jedoch in jedem Fall auch die Teillastwirkungsgrade bzw. die auftretenden Verluste abzufragen.

Exakte Modellierung hilft weiter
Fehler in Modellen zur Wirkungsgradermittlung können mehrere Ursachen haben: Zunächst gehen viele Planungen für Rechenzentren oder Serverräume (Bild 1) von der Annahme aus, der Wirkungsgrad von Stromversorgungs- und Kühlanlagen sei konstant und unabhängig von der IT-Last. Tatsächlich ist jedoch der Wirkungsgrad bei sehr geringen Lasten fast Null. Schon durch die Steuerlogik von Geräten, die unabhängig von der Last einen konstanten Strombedarf haben, kommt es zu Leerlaufverlusten. Werden diese Geräte dann mit niedriger Last betrieben – wie dies bei den meisten Rechenzentren der Fall ist – ist der Anteil dieses Verlusts besonders hoch und der Wirkungsgrad bleibt niedrig.

In der theoretischen Planung werden die Stromversorgungs- und die Kühlkomponenten nahezu mit der projektierten Auslastung betrieben. Dass dies in der Praxis nicht funktioniert hat mehrere Gründe:
• Die IT-Last des Rechenzentrums (Auslastungsgrad) liegt weit unter der Nennleistung der versorgenden NCPI-Geräte.
• Die versorgende Infrastruktur wurde absichtlich überdimensioniert, um einen Sicherheitsspielraum zum Beispiel für Erweiterungen zu erhalten.
• Die Komponente wurde im Verbund mit gleichen oder ähnlichen Komponenten in einer hoch verfügbaren, redundanten N+1- oder 2N-Konfiguration genutzt.
• Die Komponente wurde überdimensioniert, um eine höhere Lastflexibilität zu erhalten.

Eine weitere Fehlerquelle bei der Modellierung des Wirkungsgrads von Rechenzentren und Serverräumen besteht in der Annahme, dass die Abwärme von Stromversorgungs- und Klimaanlagen lediglich einen unbedeutenden Anteil an der IT-Last ausmacht und daher ignorierbar ist. Tatsächlich besteht jedoch kein Unterschied zwischen der Abwärme der Stromversorgungs- und der Klimaanlagen in einem Rechenzentrum oder Serverraum und der Abwärme der IT-Geräte. In beiden Fällen muss die Abwärme von einem Kühlsystem abgeleitet werden. Dies bedeutet eine zusätzliche Belastung für das Kühlsystem.
Daraus ergibt sich die Notwendigkeit einer Überdimensionierung mit den daraus resultierenden zusätzlichen Wirkungsgradverlusten. Um diese Verluste korrekt quantifizieren zu können, sind die Kühllast sowohl die IT-Geräte als auch sämtliche Stromversorgungs- und Kühlvorrichtungen zu berücksichtigen, die sich in dem klimatisierten Bereich befinden.

Das effizientere Modell
Wer die Fallstricke und Denkfehler kennt, mit denen Rechenzentren und Serverräume häufig konzipiert und betrieben werden, kann diese leicht vermeiden und Lösungen mit höherer Effizienz entwickeln. Dabei sind folgende Punkte zu beachten:
• Die Komponenten sind unter Einbeziehung der Leerlaufverluste zu modellieren.
• Die Minderauslastung aufgrund von N+1- oder 2N-Architekturen ist zu berücksichtigen.
• Die Kühllast enthält sowohl die IT-Systeme als auch die Abwärme, die interne Stromversorgungs- und Kühleinheiten erzeugen.
• Für eine gegebene Installation in Rechenzentren oder Serverräumen wird der Wirkungsgrad als eine Funktion der Last grafisch dargestellt, unter der Voraussetzung, dass typische Rechenzentren und Serverräume weiter unter ihrer Nennleistung betrieben werden.

Die praktische Umsetzung des Modells ist einfach und sieht folgendermaßen aus: Zunächst gilt es die durchschnittliche Überdimensionierung für jede Art von Stromversorgungs- oder Kühlkomponente zu ermitteln. Dabei sind die Faktoren Lastflexibilität und Redundanz zu berücksichtigen. Dann sind für jede Komponentenart die Betriebsverluste zu bestimmen – unter Berücksichtigung der Eingangsleistung, des Anteils an der Gesamtleistung für die Komponentenart auf Basis von Überdimensionierung sowie der Leerlaufverluste. Des Weiteren ist der Verlust zu ermitteln, der aufgrund der Kühlung von Stromversorgungs- und Klimaanlagen im Rechenzentrum oder Serverraum durch das Kühlsystem anfällt. Anschließend werden alle Verluste addiert und als eine Funktion der IT-Last berechnet und dargestellt (Bild 2).

Optimierung durch korrekte Dimensionierung
Der mangelnde Wirkungsgrad von Rechenzentren lässt sich primär auf die Überdimensionierung zurückführen. Daraus ergibt sich, dass skalierbare, an die IT-Last anpassbare Lösungen ein spürbares Potenzial für die Verringerung von unnötigem Stromverbrauch und übermäßigen Kosten bieten. Besonders wirksam ist die korrekte Dimensionierung zusammen mit der Virtualisierung der IT-Geräte. Für Einsparungen sorgt auch eine deutlich verbesserte Warmluftführung zwischen den IT-Geräten und den Kühl- sowie den Klimaanlagen und damit eine Trennung zwischen Warm- und Kaltluft. Was daraus folgt, sind sehr hohe Einsparmöglichkeiten, die sich auf der Stromrechnung deutlich bemerkbar machen.

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Autor: Michael Schumacher ist Senior Systems Engineer bei APC by Schneider Electric in München.