Energieeffizienz von Rechenzentren
Auf die Genauigkeit kommt es an
Wie können sich Betreiber von Rechenzentren sicher sein, dass der gemessene PUE-Wert - der Schlüsselparameter für die Energieeffizienz von Rechenzentren - die Realität widerspiegelt? Die weitreichenden Risiken, die mit geringsten Abweichungen in diesem Bereich verbunden sind, können durch die Implementierung der modularen und skalierbaren Lösungen von ABB vermieden werden. Diese erfüllen sämtliche Messanforderungen, bieten ein Höchstmaß an Genauigkeit, verbessern die Energieeffizienz und ermöglichen eine Senkung der Wartungskosten nach einem Upgrade elektrischer Systeme um bis zu 36 Prozent.
BU
Bild: ABB

Dass der Internetverkehr in den vergangenen Jahren sprunghaft angestiegen ist, dürfte wenig überraschend sein. Was aber so manchen verwundern dürfte, ist die Tatsache, dass sich die düsteren Prognosen von explodierenden CO2-Emissionen im Zusammenhang mit Rechenzentren nicht annähernd bewahrheitet haben. Seit dem Jahr 2010 ist der Internetverkehr um das 12-fache gestiegen. Dies ist vor allem auf Faktoren wie die rasch zunehmende Zahl von vernetzten Geräten, die Virtualisierung vieler physischer Anwendungen und die Verdoppelung der Internetnutzer zurückzuführen. Trotzdem lag der Energiebedarf von Rechenzentren zwischen 2010 und 2019 konstant bei etwa 1 Prozent des weltweiten Stromverbrauchs bzw. bei rund 200TWh. Und dieser Trend scheint sich fortzusetzen. Laut der Internationalen Energieagentur (IEA) wird der Energiebedarf von Rechenzentren trotz eines Anstiegs der Nachfrage um 60 Prozent bis einschließlich 2022 konstant bleiben, wenn die aktuellen Trends hinsichtlich der Effizienz der Hardware und der Infrastruktur von Rechenzentren aufrechterhalten werden können. Ein Grund für diese ermutigenden Zahlen ist die Tatsache, dass die Betreiber von Rechenzentren kontinuierlich in Technologien investiert haben, die den Energiebedarf und die CO2-Emissionen reduzieren. Der wichtigste Parameter zur Bestimmung der Energieeffizienz von Rechenzentren ist die sogenannte Power Usage Effectivness (PUE) – ein Begriff, der von der American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) und dem Industriekonsortium The Green Grid entwickelt wurde. Im Wesentlichen gibt der PUE-Wert an, wie viel Energie die IT-Systeme eines Rechenzentrums im Verhältnis zum Gesamtenergieverbrauch einschließlich Kühlung, Beleuchtung und anderen nicht IT-bezogenen Systemen benötigen. Ebenso wichtig wie der PUE-Wert für die Bestimmung der Energieeffizienz eines Rechenzentrums sind die Daten und die Messsysteme, die zu seiner Berechnung herangezogen werden. Dabei hängt die genaue und korrekte Messung der wichtigsten elektrischen Parameter wie Spannung, Strom, Leistung, Energie und Leistungsfaktor von der richtigen Verwendung und Platzierung der Messgeräte ab. Die für Rechenzentren gültige Norm EN50600-2-2 verlangt die Messung dieser Parameter mit einer Genauigkeit von 1 Prozent. Darüber hinaus empfiehlt sie die Messung der Gesamt-Oberschwingungsverzerrung des Stroms und der Spannung (THDI und THDU) und fordert eine schnelle und gleichzeitige Erfassung dieser Daten sowie eine korrekte Analyse und Darstellung der resultierenden Daten. Nur unter diesen Gegebenheiten kann der Betreiber eines Rechenzentrums sicher sein, dass der gemessene PUE-Wert die Realität widerspiegelt. Schon geringste Abweichungen im gemessenen PUE-Wert können weitreichende Folgen haben. So können z.B. die Fähigkeit eines Rechenzentrums zur genauen Messung seiner Energieeffizienz, die Leistungsverteilung auf die IT-Lasten und die effektive Planung von Upgrades gefährdet werden.

Genaue Informationen sind alles

Bild 2 | Globale Entwicklung des Internetverkehrs und des Energiebedarfs von Rechenzentren (Quelle: OMDIA).
Bild 2 | Globale Entwicklung des Internetverkehrs und des Energiebedarfs von Rechenzentren (Quelle: OMDIA).Bild: ABB

Die genannten Risiken können durch die Implementierung der flexiblen Lösungen von ABB vermieden werden. Diese erfüllen alle Messanforderungen, bieten eine hohe Genauigkeit, vereinfachen die Überwachung der Stromversorgung und die Kapazitätsplanung und tragen zur Verbesserung der Energieeffizienz bei. Darüber hinaus sorgen effiziente ABB-Geräte wie Transformatoren, unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV), Kabel, Schutz- und Schaltgeräte für eine hohe Effizienz in der Energieverteilung. Dank eines USV-Wirkungsgrads von 97,4 Prozent auf Systemebene im Doppelwandler-Betrieb, effizienter Produkte für die Stromverteilung und der richtigen Gestaltung der Verteilung können die Verteilungsverluste, die normalerweise im Durchschnitt bei 20 Prozent liegen, auf nur 5 Prozent reduziert werden. Weitere Effizienzsteigerungen lassen sich durch die Implementierung von Mess-, Überwachungs- und Steuerungslösungen von ABB realisieren. Die Geräte der Ekip-Reihe mit integrierter Messfunktion sind z.B. in der Lage, sämtliche elektrische Parameter auf allen Verteilungsebenen mit hoher Flexibilität und der Genauigkeitsklasse 1 gemäß IEC61557-12 zu messen und zu steuern. Solche integrierten Funktionalitäten bieten folgende Vorteile:

Bild 3 | Der wichtigste Parameter zur Bestimmung der Energieeffizienz von Rechenzentren ist der PUE-Wert.
Bild 3 | Der wichtigste Parameter zur Bestimmung der Energieeffizienz von Rechenzentren ist der PUE-Wert.Bild: ABB
  • Es sind keine zusätzlichen Relais und Messgeräte erforderlich, was das System vereinfacht und Zeit spart.
  • Ein hohes Maß an Flexibilität dank verschiedener Kommunikationsprotokollmodule
  • Einfache und effektive Cloud-Anbindung
  • Höhere Zuverlässigkeit dank weniger Geräte und Verbindungen
  • Schnelle Planung, Installation und Integration

Darüber hinaus können die wichtigsten Informationen der integrierten Messgeräte problemlos mit dem ABB Ability Energy and Asset Manager visualisiert und überwacht werden, der als lokale oder cloud-basierte Lösung erhältlich ist.

Modular und skalierbar

Da Rechenzentren in verschiedenen Größen gebaut werden, bietet ABB modulare Komponenten, mit denen sich drei skalierbare Lösungen realisieren lassen:

  • Essential Monitoring ist eine Basislösung, die die Überwachung der PUE eines Rechenzentrums ermöglicht. Sie eignet sich besonders für kleine Anlagen.
  • Enhanced Monitoring bietet eine erweiterte und genauere Sicht auf den Stromverbrauch und ermöglicht die Analyse der Energieeffizienz sowie die Überwachung des USV-Status.
  • Advanced Monitoring ist ein umfassendes Paket für sehr detaillierte Messungen und eine vorausschauende Wartung. Es eignet sich für größere Rechenzentren oder Rechenzentren mit höchsten Energieeffizienz- und Nachhaltigkeitsanforderungen.

Die genannten skalierbaren Lösungen bieten viele Vorteile. Sie reduzieren die Projektentwicklungszeit um bis zu 80 Prozent, sie mindern das Projektrisiko, da die digitale Konnektivität bereits von ABB getestet wurde, sie lassen sich einfach an verschiedene Projekte anpassen, und sie können jederzeit durch Hinzufügen weiterer Funktionalitäten vom ABB Marketplace erweitert werden, ohne dass die Hardware ausgetauscht werden muss. So können bei einem Upgrade von elektrischen Systemen im Vergleich zu einem traditionellen Austausch bis zu 70 Prozent der Kosten eingespart werden.

Essential-Monitoring-Lösung

Die Essential-Lösung basiert auf zwei Leistungsschaltern vom Typ Emax 2 oder Tmax XT. Diese messen alle elektrischen Parameter (Strom, Spannung, Frequenz, Wirk-, Blind-, Scheinleistung und -energie, Leistungsfaktor, Scheitelfaktor, THDI, THDU) am USV-Ausgang und Anlageneingang. Die Anbindung der beiden Schalter erfolgt über das Modbus-TCP-Kommunikationsprotokoll. Die Messungen werden über das ABB Ability Edge Industrial Gateway gesammelt und im lokalen Gateway gespeichert oder in die Cloud übertragen. Im letzteren Fall stehen sämtliche Informationen auf der neuen ABB Ability Energy and Asset Manager Cloud-Plattform zur Verfügung und können von überall mit jedem internetfähigen Gerät abgerufen werden. Neben der Cloud-Anbindung besteht auch die Möglichkeit, die Messgeräte (Leistungsschalter) an das lokale Infrastruktur-Management des Rechenzentrums (DCIM) anzuschließen und die verfügbaren Informationen auf kundenspezifische Weise zu nutzen. Die Lösung ist einfach und günstig in der Anschaffung, bietet mit zwei installierten Messpunkten aber nur wenig Informationen über den Energieverbrauch des Rechenzentrums. Folglich sind die Möglichkeiten zur Verbesserung der Gesamteffizienz und Zuverlässigkeit begrenzt.

Bild 4 | ABB bietet modulare Komponenten, die eine einfache Realisierung skalierbarer Lösungen ermöglichen.
Bild 4 | ABB bietet modulare Komponenten, die eine einfache Realisierung skalierbarer Lösungen ermöglichen.Bild: ABB

Enhanced-Monitoring-Lösung

Bei dieser Lösung gelten die gleichen Voraussetzungen hinsichtlich Messungen, Software und Kommunikation wie bei der Essential-Lösung. Allerdings werden die Messungen bei der Enhanced-Lösung von einer größeren Zahl von Schutzgeräten und dem neuen System Pro M Compact InSite vorgenommen, sodass mehr Daten zur Verfügung stehen. Die Informationen stehen in der Cloud und/ oder lokal zur Verfügung. Ein hohes Maß an Cybersicherheit, entwickelt in Zusammenarbeit mit Microsoft, sorgt dabei für die Sicherheit der Daten. So ist eine flexible, einfache und genaue Berechnung des PUE-Werts möglich. Dank der Lastgruppierungsfunktion lässt sich die Anlagenübersicht schnell und flexibel anpassen. So können beispielsweise alle Schutzgeräte für die Kühllast zusammengefasst werden, sodass neben den Einzelwerten auch die Verbrauchswerte der gesamten Kühllast abgelesen werden können. Mit einer höheren Genauigkeit, vielen Messpunkten und Informationen über Betriebszustände können die Geräte mit dem höchsten Energieverbrauch bestimmt und entsprechende Abhilfemaßnahmen getroffen werden. So lassen sich auf einfache Weise kostengünstige Veränderungen zur Verbesserung der Gesamteffizienz des Rechenzentrums realisieren. Gleichzeitig ermöglicht eine neuartige Funktion für offene Leistungsschalter die vorausschauende Planung von Wartungsarbeiten. Mit UPS Insight können zudem alle wichtigen Parameter des USV-Systems überwacht werden. Dazu gehören Echtzeitwerte von Strom und Spannung, Temperatur und Batterieladezustand sowie Alarme und andere Ereignisse.

Advanced-Monitoring-Lösung

Diese Lösung ermöglicht eine noch umfassendere Überwachung. Die damit verbundene feingliedrige Messarchitektur ist nicht auf IT- und mechanische Lasten beschränkt und deckt eine Vielzahl weiterer Lasttypen ab. Die Advanced-Lösung kann für Rechenzentren aller Art und Größe verwendet werden. Natürlich gilt: Je größer und komplexer ein Rechenzentrum ist, desto wichtiger ist eine Kostenreduzierung ohne Beeinträchtigung der Energieeffizienz oder Zuverlässigkeit. Berechnungen von ABB unter Berücksichtigung der typischen Kosten zeigen, dass mit der Advanced-Lösung für einige Geräte wie die offenen Leistungsschalter vom Typ Emax 2 bis zu 36 Prozent der Wartungskosten eingespart werden können. Außerdem helfen präzise Informationen zum Zustand jedes Geräts und eine regelmäßige Wartung dabei, die Zuverlässigkeit der gesamten Anlage zu erhöhen. So wird die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls reduziert, der pro Vorfall bis zu 2,4Mio.USD kosten kann. Die Tatsache, dass alle überwachten Geräte kontinuierlich Selbstprüfungen durchführen, mindert zudem die Wahrscheinlichkeit einer ungeplanten Wartung. Erkennt ein Gerät eine Abweichung im Hinblick auf die vom Kunden definierten oberen und unteren Schwellenwerte, löst es einen Alarm aus.

Reduzierung der Verteilungsverluste

Neben der Verbesserung der Effizienz mithilfe einer zunehmend präzisen Überwachung des Energieverbrauchs stehen Betreibern von Rechenzentren Technologien zur Reduzierung der Verteilungsverluste zur Verfügung. ABB bietet Lösungen an, mit denen sich diese Verluste auf 5 Prozent reduzieren lassen. Dieser Ansatz eignet sich besonders für Anlagen mit einer großen Zahl von Messgeräten, die in der Lage sind, Informationen zu den Ursachen von Verteilungsverlusten zu liefern, und somit eine Optimierung der Verteilungseffizienz unterstützen. Dies gilt auch für die IT-Ausrüstung eines Rechenzentrums. Diese kann Oberschwingungen verursachen, die die Strom- und Spannungsqualität im Netz beeinträchtigen. Solchen Problemen kann durch die Installation von geeigneten Filtern im Netz begegnet werden, doch für die korrekte Wahl und Platzierung der Filter müssen die Quellen und das Ausmaß der Verzerrungen bekannt sein. Die Systeme sind in der Lage, Messungen bis zur 50. Oberschwingung ohne zusätzliche Geräte durchzuführen und die richtigen Informationen zu liefern, um entsprechende Verbesserungen umzusetzen. Mit den gleichen Systemen, die allesamt mit integrierten Netzanalysatoren ausgestattet sind, lassen sich noch weitere Aspekte der Stromversorgungsqualität wie Durchschnittsspannung, Spannungsspitzen und kurze Spannungsunterbrechungen, Spannungsunsymmetrien zwischen Phasen usw. überwachen, deren Erkennung und rigorose Behandlung zu einer weiteren Steigerung der Energieeffizienz und Zuverlässigkeit beitragen kann.

www.abb.de

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