Energieeffizienz in der Informations- und Kommunikationstechnik – Teil 12 der Serie Energieeffizienz einfach erklärt
Die Informations- und Kommunikationstechnik (IKT), ursprünglich ein Sammelbegriff für digitale Rechentechnik und Telekommunikation, hat mit der zunehmenden Unterstützung von Unternehmensprozessen durch IT an Bedeutung gewonnen; die Rechenleistung in modernen Unternehmen dürfte durch die unter dem Schlagwort „Industrie 4.0“ angestrebte umfassende Digitalisierung weiter zunehmen. Vor einigen Jahren richtete sich die Aufmerksamkeit aber auch auf den mit zunehmendem IT-Einsatz steigenden Anteil der IKT am Stromverbrauch, der bereits vor 10 Jahren bei über 10 Prozent des Gesamtverbrauches lag und damit zu einem nicht mehr zu vernachlässigenden Kostenfaktor geworden war. Durch energieeffiziente IKT ist der Anteil mit 10,7 Prozent im Jahr 2016 trotz anwachsender Rechenleistung kaum gestiegen. In diesem Beitrag möchten wir Ihnen zeigen, wie sich Ihre Energieeffizienz bei der Informations- und Kommunikationstechnik verbessern lässt.
Weitere Beiträge aus unserer Serie Energieeffizienz einfach erklärt:
1: Dies ist die Bedeutung der Energieeffizienz
2: Von der Energieeffizienz zur Energiequalität
3: Was ist Entropie und wie steht diese im Zusammenhang mit Energie?
4: Was ist Energie und welche Bedeutung hat sie?
5: Energieverbrauch in Deutschland – relevante Einsparpotenziale in Wirtschaft und Industrie
6: Die Prozesswärme in der Industrie als größter Energieverbraucher
7: Abwärmenutzung in der Industrie – Ermitteln Sie Ihre Potenziale mit der Pinch Analyse
8: Raumwärme und Warmwasser als Energieträger – So verbessern Sie Ihre Energieeffizienz
9: So verbessern Sie Ihre Energieeffizienz bei der Nutzung von Prozesskälte und Klimakälte
10: Energieeffiziente Elektromotoren und Pumpen als Querschnittstechnologien
11: So verbessern Sie Ihre Energieeffizienz durch energieeffiziente Beleuchtung am Arbeitsplatz
12: Energieeffizienz in der Informations- und Kommunikationstechnik
13: Energieeffizienz im Verkehr
Energieträger in der Informations- und Kommunikationstechnik
Für die IKT wird (mit Ausnahme des Verkehrssektors, wo zwar ebenfalls Strom für die IKT genutzt wird, dieser aber zum größten Teil mit Hilfe des „Lichtmaschine“ genannten Generators aus Treibstoffen erzeugt wird, die in der Energiestatistik erfasst werden) fast ausschließlich Strom eingesetzt, so dass andere Energieträger hier nicht betrachtet werden müssen.
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Energieanwendung in der Informations- und Kommunikationstechnik
Informations- und Kommunikationstechnik umfasst die Hard- und Software für die Erfassung, Verarbeitung, Speicherung, Übertragung und Aufgabe von Daten, wobei in den letzten Jahren auch Bilddaten eine große Bedeutung gewonnen haben. Die Anwendungen in Industrie sowie Handel, Gewerbe und Dienstleistungen umfassen die Modellierung und Simulation von Produktionsprozessen, deren Vernetzung,
- z.B. Tracking mit RFID [Radio Frequency Identification]
- Einsatz von Wireless Diagnose Tools in der Wartung und Instandhaltung
- Prozesssteuerung und Prozessmonitoring über Dematerialisierung über digitale Medien [elektronische statt Papierrechnungen]
bis hin zum Recycling (Abfallerfassung und Stofferkennung/-trennung mit Hilfe von RFID etc.). Unter dem Schlagwort „Industrie 4.0“ wird eine weitere Verzahnung von industriellen, gewerblichen und kommerziellen Prozessen verstanden, so dass eine weitestgehend selbstorganisierte, flexible und kundenzentrierte Produktion möglich wird. Zentrale Technologie ist dabei das Internet bzw. das „Internet der Dinge“ mit Maschine-zu-Maschine-Kommunikation.
Energiewandler
Bei der IKT sollte zwischen IKT-Infrastruktur und IKT-Endgeräten unterschieden werden: Zur IKT-Infrastruktur gehören Telekommunikationsnetze und Rechenzentren, zu den Endgeräten Arbeitsplatzcomputer und Laptops sowie ihre Peripherie (Kopierer, Drucker, …), Telefonanlagen und Netzwerke, digitale Mess- und Steuertechniken (sowohl in Maschinen und Anlagen als auch in der Gebäudetechnik). Der Anteil der Infrastruktur am Gesamt-Stromverbrauch der IKT beträgt rund 37,5 Prozent: 25 Prozent beträgt der Anteil von Rechenzentren, 12,5 Prozent der Anteil der Telekommunikationsnetze.
Der Anteil von Arbeitsplatz-IT beträgt rund 16,5 Prozent (dazu kommt ein Anteil von 45 Prozent, der in privaten Haushalten verbraucht wird). Dabei wird davon ausgegangen, dass zukünftig der Strombedarf der IKT-Endgeräte (vor allem aufgrund technischer Verbesserungen und dem wachsenden Anteil energieeffizienterer mobiler Geräte) zurückgeht. Aufgrund der zunehmenden Bedeutung von Cloud Computing (Bereitstellung von IT-Infrastruktur wie Rechenleistung oder Speicherplatz über das Internet) wird jedoch ein zunehmender Strombedarf für Rechenzenten und Telekommunikationsnetze erwartet. Insgesamt geht man von einem etwa gleichbleibenden Energiebedarf aus, da Cloud Computing bezogen auf die Rechenleistung effizienter als die Nutzung von Büro-PCs ist und damit die steigende Rechenleistung mit geringerem Energieaufwand sicherstellt.
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Potential zur Verbesserung der Energieeffizienz in der Informations- und Kommunikationstechnik
Unternehmen haben vor allem Einfluss auf den Verbrauch von Endgeräten und selbst betriebenen Rechenzentren.
Energieeffizienz der Endgeräte in der Informations- und Kommunikationstechnik
Die Verantwortung für die Energieeffizienz der IKT-Endgeräte liegt vor allem bei den Herstellern; der Kunde kann vor allem beim Einkauf auf energieeffiziente Geräte mit niedrigem Stromverbrauch achten: der Energieverbrauch sollte zu einem festen Beschaffungskriterium gemacht werden. Einen großen Beitrag dazu, dass der Stromverbrauch für IKT in den letzten 10 Jahren nicht mit der Rechenleistung angestiegen ist, haben die Europäische Ökodesign-Richtlinie 2009/125/EG und die zugehörigen Verordnungen geleistet. So wurde mit der VO (EG) Nr. 1275/2008 der Standby-Verbrauch von PCs und Notebooks (und anderen IKT-Geräten) begrenzt; seit 2014 begrenzt die VO (EU) Nr. 617/2013 den Stromverbrauch von Computern, Workstations und Servern. Zuvor ermöglichte bereits das US-amerikanische Energy-Star-Programm eine Bewertung der Energieeffizienz von IKT-Produkten (2003 wurde es auch in Europa eingeführt, allerdings nach dem Auslaufen des zugrundeliegenden Abkommens im Februar 2018 wieder eingestellt).
Damit bleibt als zentrales Bewertungskriterium für die Energieeffizienz von IKT-/Büroausstattung vor allem der „typische Stromverbrauch pro Woche“. Ein Verbesserungspotenzial bei der Energieeffizienz besteht zudem in einer Optimierung der IT-Infrastruktur: Werden klassische Arbeitsplatz-PCs durch „Thin Clients“ (nicht vollausgestattete PCs, die ihre Aufgaben nicht alleine, sondern nur mit Hilfe eines Servers erfüllen können) ersetzt, kann – bereits unter Einrechnung der Serverleistung – ein Einsparpotenzial von 50 Prozent gehoben werden. Da auch Software nur noch auf einen zentralen Server aufgespielt werden muss, sinken auch die Supportkosten, so dass Thin-Client-Lösungen sich oft bereits bei wenigen Arbeitsplätzen rechnen.
Energieeffizienz der Rechenzentren in der Informations- und Kommunikationstechnik
Größer als beim Kauf von Endgeräten ist der Einfluss des Nutzers beim Betrieb von Rechenzentren. Der typische Stromverbrauch eines Rechenzentrums geht nur zu rund der Hälfte auf die eigentlichen IT-Aufgaben (Server und Speichersysteme) zurück; die andere Hälfte entfällt auf die Infrastruktur (wie Klimatisierung und unterbrechungsfreie Stromversorgung [USV]). Der Anteil der IT-Hardware am Gesamtverbrauch eines Rechenzentrums wird als DCIE (Data Center Infrastructure Efficiency) gemessen:
- DCIE = Energieverbrauch der IT/Gesamtenergieverbrauch des Rechenzentrums
Der umgekehrte Wert ist als „Power Usage Effectiveness“ (PUE) bekannt. Je nach Größe des Rechenzentrums ist ein DCIE von min. 65 Prozent (PUE von max. 1,5), bei kleineren Rechenzentren ein DCIE von min. 75 Prozent anzustreben. Ausgangspunkt für alle Effizienzmaßnahmen ist eine effiziente Hard- und Software. Diese spart doppelt: Eingesparte Leistung braucht nicht gekühlt und muss nicht über eine USV abgesichert werden. Viele rund um die Uhr laufende Server sind durchschnittlich nur zu 1020 Prozent ausgelastet (die Auslastung kann vom Administrator mit einer Managementsoftware ermittelt werden). Eine Virtualisierung (verschiedene Betriebssysteme laufen auf einem Server) kann es erlauben, Server durch „virtuelle Server“ zu ersetzen, die auf einem – dann höher ausgelasteten – Server vereinigt sind. Dazu kann geprüft werden, ob bestimmte Aufgaben auf datenschwache Zeiten verlagert werden können und ob es sinnvoll ist, für Spitzenlast externe Serverleistung hinzuzukaufen.
Die technischen Fortschritte bei Arbeitsplatz-PCs machen auch vor Servern nicht halt: Bei der Beschaffung spielt – neben den technischen Anforderungen – auch die optimale Nutzung der verfügbaren Energie durch die beschafften Geräte/Module eine wichtige Rolle. Der Energieverbrauch hängt insbesondere von Art und Anzahl der Prozessoren, Arbeitsspeicher-Kapazität und Netzteilauslegung ab. Solid-State-Disks (SSD) sind aufgrund sinkender Preise in vielen Fällen eine Alternative zu klassischen Festplatten; neben höherer Energieeffizienz bieten sie weitere Vorteile wie geringere Zugriffszeit. Um den Bedarf an Kühlung zu verringern, sollte zudem auf eine möglichst hohe zulässige Betriebstemperatur aller Bauteile geachtet werden.
Bei der Auslegung der Kühlung zur Abführung der in den Geräten erzeugten Wärme handelt es sich um eine langfristige Investitionsentscheidung. Zur Raumkühlung wird klassischerweise Luft verwendet: Die Kühlluftzufuhr erfolgt über einen Doppelboden mit perforierten Bodenplatten. Die Kühlluft tritt zwischen den Vorderseiten der zu kühlenden Serverracks aus und wird auf der Rückseite über die Doppeldecke abgesaugt. Dazu werden die Server-Racks mit den warmen Rückseiten zueinander aufgestellt (Kaltgang-Warmgang-Anordnung). Schwäche ist oftmals die ebenfalls im Doppelboden befindliche Verkabelung, die die Luftströmung behindern kann. Verkabelt werden sollte ausschließlich im Warmgang, also längs zum Luftstrom. Eine Leistungsregelung des Luftkreislaufs, insb. der Ventilatoren, erlaubt eine Anpassung an den Temperaturbedarf. Die Rücklufttemperatur sollte nicht niedriger als notwendig (zulässige Betriebstemperatur der Server) sein, da z.B. im Bereich von 22 – 26 °C eine Erhöhung der Raumtemperatur um 1 °C zu einer Energieeinsparung von 4 Prozent führt. Kühlsysteme sollten zudem eine Freikühlfunktion besitzen: Hierbei wird die Kältemaschine durch freie Kühlung unterstützt.
Unterschieden wird zwischen direkter freier Kühlung – je nach Außentemperatur wird kalte Außenluft direkt zur Kühlung oder zur Unterstützung des Kältekreislaufs genutzt – und indirekter freier Kühlung – kalte Außenluft kühlt ein Wasser-Glykol-Gemisch, das als Kälteträger zur Abkühlung des Umluftstroms im Rechenzentrum genutzt wird und die Laufzeit der Kältemaschine verringert. Bei den Kältemaschinen werden in der Regel Präzisionsklimageräte eingesetzt, mit denen sich neben der Temperatur auch die Luftfeuchtigkeit steuern lässt. Bei den Kältemitteln ist auch in Rechenzentren der Treibhauseffekt zu berücksichtigen. Oft wird aufgrund der Sicherheit Wasser verwendet; energieeffizienter – und klimafreundlicher als andere Kältemittel – ist Kohlendioxid.
Und nun, viel Erfolg bei der Verbesserung Ihrer Energieeffizienz!
Ihr Jürgen Paeger
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