Kennzahlen im Rechenzentrum: Wie PUE-Werte ermittelt werden, wie sie sich verbessern lassen von Dr. Peter Koch ist Senior Vice President Engineering & Product Management für Knürr Racks & Integrated Cabinets, Emerson Networ

Bei der professionellen Bewertung der Energieeffizienz eines Rechenzentrums helfen Kennzahlen. Etabliert hat sich hier mittlerweile der PUE-Wert (Power Usage Effectiveness). Dieser beschreibt das Verhältnis des gesamten Stromverbrauchs eines Rechenzentrums zum Energieverbrauch der IT-Geräte. Um die Diskussion um die Definition und korrekte Messung der PUE zu beenden, hat ein Konsortium rund um das GreenGrid die „Recommendations for Measuring and Reporting Overall Data Center Efficiency“ herausgegeben. Demzufolge unterscheidet man bei PUE je nach Art der Messung vier Kategorien. Welche der Kategorien 0 bis 3 für den jeweiligen PUE-Wert verwendet wird, hängt von den Messvoraussetzungen ab. Maßgeblich sind wie im aktuellen BITKOM-Leitfaden „Wie messe ich den PUE richtig?“ beschrieben: der Ort der IT-Energiemessung, die Definition der IT-Energie sowie die Definition der Gesamtenergie. Mit Veröffentlichung dieser Definition der PUE-Kategorien sind die theoretischen Voraussetzungen geschaffen, um sinnvolle Messwerte im Rechenzentrum einzuführen.

Metrik für kontinuierliche Verbesserung

Für einen Benchmark-Vergleich verschiedener Rechenzentren sind die PUE-Werte nach wie vor nur sehr eingeschränkt geeignet, denn es gibt kaum zuverlässige Datenbasen. Ein PUE-gesteuertes RZ-Management ermöglicht es jedoch, für das eigene Rechenzentrum Schwachstellen zu erkennen und durch konsistente Messungen eine Metrik zur kontinuierlichen Verbesserung der Infrastruktur zu erhalten. Die Verwendung der PUE₀ wird von den Experten des BITKOM allerdings nicht empfohlen, weil dieser Wert nicht anhand von Jahreswerten sondern mittels der elektrischen Spitzenleistung der IT sowie der elektrischen Gesamtspitzenleistung berechnet wird. Dadurch werden die Energieverbräuche nicht transparent genug dargestellt. Rechenzentrumsbetreiber sollten sich vielmehr auf die Werte PUE₁ und PUE₂ sowie auf PUE₃ konzentrieren. Die Voraussetzungen zur Ermittlung der ersten beiden Werte sind in den meisten Rechenzentren bereits erfüllt.

Stromverbrauch systematisch erfassen und auswerten

Bei der Messung der Gesamtenergie kommt es darauf an, den Stromverbrauch des Rechenzentrums von dem anderer Verbraucher im Gebäude abzugrenzen. Idealerweise erfolgt die Messung schon vor dem Transformator, um auch dessen Verluste zu erfassen, häufig kann aber erst nach der Niederspannungshauptverteilung der Verbrauch des RZs separat erfasst werden.

Die verschiedenen PUE-Kategorien unterscheiden sich nach der Genauigkeit mit der der Stromverbrauch der IT-Komponenten gemessen wird.

Die beiden Werte PUE₁ und PUE₂ unterscheiden sich lediglich dadurch, dass die IT-Energiemessung an einem anderen Ort stattfindet: Am USV-Ausgang bzw. am Ausgang der Niederspannungsverteilung für die IT. An diesen beiden Messstellen muss konsequent und systematisch der Stromverbrauch erfasst werden. Die Auswertung erfolgt im Jahresrhythmus. Durch die Betrachtung des Jahresverbrauchs ist gewährleistet, dass saisonale Schwankungen der Temperatur oder der Auslastung das Ergebnis nicht verzerren. Die Messung am USV-Ausgang ist in den meisten Rechenzentren bereits etabliert. Bei hochverfügbaren Systemen werden aber meist auch andere Verbraucher wie Lüfter oder Umwälzpumpen auf die USV aufgeschaltet, so dass an dieser Stelle die Stromaufnahme der IT-Komponenten nicht genau genug erfasst werden kann.

Intelligente Stromverteilereinheiten, sog. Power Distribution Units (PDUs) erfassen den Stromverbrauch der IT-Komponenten korrekt, aber relativ pauschal, oft strang- und phasenweise. Die Messvorschriften zur Erfassung des Verbrauchs der IT lassen sich aber noch weiter verschärfen: durch Messung direkt an den Verbrauchern. Dies ist notwendig für die Ermittlung der PUE₃. Intelligente Steckerleisten messen an der Verbrauchsstelle und erfassen somit auch die Leitungsverluste, die auf dem Weg von Systemen der unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) bis zu den IT-Geräten entstehen.

Optimierungspotenziale nutzen

Die meisten Rechenzentren werden im Schnitt mit einer PUE von etwa 2,0 betrieben. Es wird also doppelt soviel Energie in das Rechenzentrum eingespeist, wie die ITK-Systeme tatsächlich verbrauchen. Dabei lässt sich dieser Wert mit aktuell verfügbaren Standard-Technologien auch in Bestandsrechenzentren leicht auf 1,5 drücken. Ein wichtiger Ansatzpunkt hierfür sind die Kühlsysteme: Sie beanspruchen rund ein Drittel des gesamten Energiebedarfs und bieten daher ein hohes Potenzial bei der Verbesserung der Energiebilanz. Allein durch besseres Abdichten bei Kabeldurchbrüchen oder durch verstärkte Abdichtung des Doppelbodens kann der Bedarf an Kühlluft häufig um 20 Prozent, in Einzelfällen sogar um bis zu 40 Prozent gesenkt werden. Oft lohnt auch eine Überprüfung des Drucks im Doppelboden. Bei klassischen Systemen gelten 20 bis 40 Pascal als optimal. Manchmal reichen aber auch weniger als 10 Pascal aus. Wenn dafür gesorgt wird, dass die kalte Luft auch wirklich nur auf die zu kühlenden IT-Geräte ausgerichtet ist und nur eine möglichst geringe Luftmenge bewegt wird, können weitere deutliche Einsparungen erzielt werden. Hier helfen Kaltgang-Einhausungen oder auch Blindplatten in den Serverschränken, die verhindern, dass die heiße Serverluft in den Kühlbereich auf der Rack-Vorderseite gelangt.

Intelligente Verkabelung

Erhebliches Einsparpotenzial bietet auch eine intelligente Kabelführung: So sind Strom- und Datenkabel grundsätzlich isoliert voneinander zu verlegen. Andernfalls könnte es in Verbindung mit Kupferkabeln zu gegenseitigen Störungen kommen. Außerdem erlauben größere Rack-Schränke eine großzügigere Anordnung der Kabel auf der Rückwand, sodass die IT-Geräte besser belüftet werden. Auch die Stärke der Kabel wirkt sich auf den Stromverbrauch aus: Dünnere Kabel, die zu den Racks führen sind zwar günstiger in der Anschaffung. Aufgrund der geringeren Querschnittsfläche kommt es im laufenden Betrieb allerdings permanent zu höheren Leitungsverlusten. Darüber hinaus tragen auch stärkere Stromschienen aufgrund ihrer geringeren Abstrahlung zur Verbesserung der Energieeffizienz bei. Nicht zuletzt ist auch darauf zu achten, dass Redundanzen nur dort aufzubauen sind, wo sie absolut nötig sind. So können Kühlsysteme beispielsweise auch mit Teillast betrieben werden, während die unterbrechungsfreie Stromversorgung einen schlechten Teillastwirkungsgrad aufweist und hier daher der Einsatz modularer USV-Systeme durchaus sinnvoll ist.

Fazit

Wie der BITKOM-Leitfaden anschaulich zeigt, hilft der PUE-Wert mit konsistenten Messungen eine Metrik für die Verbesserungen der eigenen Infrastruktur zu erhalten, Schwachstellen und somit Optimierungspotenziale aufzudecken. Zwar wirken unterschiedliche Merkmale auf die PUE ein und führen in den unterschiedlichen Kombinationen von Rechenzentrum zu Rechenzentrum zu sehr vielfältigen Variationen. Dennoch: Um in Zukunft zu einer umfangreichen und verlässlichen Datenbasis für einen Vergleich der Energieeffizienz von Rechenzentren zu gelangen, sollten alle Rechenzentren die Basisdaten erheben und die PUE ermitteln. Denn, wenn die einfachen Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz ausgeschöpft sind, werden diese Daten von der gesamten IT-Industrie benötigt, um die Energieeffizienz weiter steigern zu können.