Das Internet und Rechenzentren sind aus der modernen Welt nicht wegzudenken. Die Zahl der Internet-Anwender hat sich seit 2010 verdoppelt, der Internet-Traffic verzehnfacht und die Workloads haben um das Siebzehnfache zugelegt, beleuchtet die Studie „Improving Sustainability in Data Centers“ von Atlantic Consulting im Auftrag von Nutanix. Neue Technologien wie IoT, Edge Computing und 5G legen einen weiteren steilen Anstieg nahe. Europa spielt dabei eine wichtige Rolle: Rund 24 Prozent der weltweiten Rechenzentren sind hier angesiedelt.
Digitale und mobile Apps, Datenbankprodukte, Cloud-Services, Videostreaming und Virtual oder Augmented Reality sind die Basis der meisten digitalen Geschäftsmodelle. Dazu kommt die durch Covid beflügelte vermehrte Nutzung von Home Offices, die im Rechenzentrum entsprechende Technologie nötig macht. Steigerungen um zehn bis 20 Prozent jährlich bei digitalen Services sind bis 2030 prognostiziert. Das alles steigert die Ansprüche an Dimensionen und Leistungsfähigkeit der Rechenzentren exponentiell. Dies gilt auch für die zum Beispiel aus Datenschutzgründen häufig on-premises betriebenen Data Centers mittelständischer Unternehmen.
Schattenseite der Digitalisierung: Hoher Energieverbrauch und Kohlendioxidausstoß
Doch die Digitalisierung hat auch eine klimarelevante Schattenseite: Es entstehen beträchtliche Energieverbräuche und Kohlendioxid-Ausstöße. Nach Daten des Borderstep-Instituts verbrauchten Rechenzentren 2020 weltweit rund 375 Terawattstunden (TWh). Das entspricht 1,5 Prozent des gesamten globalen Energieverbrauchs oder in etwa dem gesamten Energieverbrauch Saudi-Arabiens. Dazu tragen die industrialisierten Länder viel bei, während in wenig industrialisierten Ländern etwa in Afrika vergleichsweise wenige Rechenzentren stehen. Es gibt Schätzungen, die Steigerungen des RZ-Energieverbrauchs im laufenden Jahrzehnt um das Zehnfache (auf 3000 TWh jährlich) prognostizieren.
Die europäischen Rechenzentren verbrauchten 2021 92,7 TWh Energie. Das entspricht mehr als dem Stromverbrauch von ganz Kasachstan. Das lässt sich das in einen Kohlendioxidausstoß von 27 Millionen Tonnen CO2-Äquivalenten umrechnen.
Die Steigerung der Energieeffizienz von Rechenzentren ist also in Hinblick auf den Klimaschutz hoch relevant. Dazu kommen Kostengesichtspunkte, denn der Krieg mit der Ukraine hat die Strompreise auch für Rechenzentren explodieren lassen. Sie zahlen heute in Deutschland bis zu 26 c/kWh, was gegenüber Ländern mit günstigeren Stromgestehungstechnologien einen Standort-Wettbewerbsnachteil bedeutet. Dazu kommen die Klimaschutzziele der EU und deswegen etablierte detaillierte Berichtspflichten sowie ansteigende Zertifikatspreise, die die Erzeugung von Kohlendioxid zunehmend teuer machen.
Auch die RZ-Kunden fordern effiziente Rechenzentren, um ihre eigene Kohlendioxid-Bilanz nicht durch Dienstleister und Zulieferer ruinieren zu lassen. Deren Emissionen werden ihnen über den sogenannten Scope 3 zugerechnet, soweit sie die für sie erbrachte Leistung betreffen. Dabei geht es auch um Kolokations-RZ und den Bezug von Cloud-Services. Viele Unternehmen haben schon Emissionsminderungspläne geschrieben.
Bei Aktiengesellschaften machen Investoren wie Blackrock Druck und wollen ihr Geld zunehmend nicht mehr in „schmutzige“ Firmen stecken. Das bedeutet: CO2-Ausstoß und die energetische Effizienz von Rechenzentren (Power Usage Effectiveness, Verhältnis von Kühl- zu Rechenenergie) (PUE) werden zu Kernindikatoren für CIOs und RZ-Betreiber.
Deshalb bilden nachhaltige IT-Infrastrukturen erst die Basis für nachhaltige Geschäftsmodelle, Apps und Services. Nur auf einer möglichst effizienten, energiesparenden RZ-Infrastruktur aufliegende Dienste oder Apps können dem Anspruch auf Nachhaltigkeit wirksam gerecht werden, egal, welche Funktion sie erfüllen.
Technologische Effizienz- und Emissionsminderungsstrategien
Um mehr Energieeffizienz im Rechenzentrum zu erreichen, gibt es verschiedene Technologien und Ansätze, die unterschiedlich wirksam sind. Die höchsten Effekte haben laut Tabelle derzeit veränderte Kühl- und Klimastrategien sowie neuartige (Next Generation) IT-Architekturen.
Noch nicht berücksichtigt ist hier sogenannte „grüne“ Software. Das ist Software, deren Versionen lange rückwärtskompatibel sind, die auf älteren Geräten lauffähig ist und im Betrieb die IT-Ressourcen schont, also lediglich die Systemkomponenten verwendet, die für die Aufgabe unbedingt benötigt werden. Solche Business-Software dürfte erst in einigen Jahren breiter als heute verfügbar sein.
Besonders große Möglichkeiten, Energie und Kohlendioxid einzusparen, haben aufgrund ihres Einflusses auf die Hardwaregestaltung Hyperscaler. Allerdings steht es für die meisten Unternehmen und erst recht mittelständische Firmen kaum zur Diskussion, ihre gesamte Infrastruktur dorthin auszulagern. Wichtige Gründe dafür sind der Datenschutz und der Schutz von Geschäftsgeheimnissen. Die derzeitige Leitinfrastruktur der IT ist die Hybrid Cloud, also eine Mischung aus On-Premises oder bei Kolokateuren befindlichen Rechenzentren. Kolokateure bieten dabei nahezu die PUEs von Hyperscalern. Deshalb und wegen der fehlenden Einflussmöglichkeiten ihrer Kunden auf energetische und Emissionsaspekte bleiben Hyperscaler hier außer Betracht.
Hyperkonvergente Infrastrukturen als energieeffiziente Alternative
Nicht nur im Großkunden-, sondern auch und insbesondere im mittelständischen Segment sehr beliebt sind wegen ihrer Flexibilität und Skalierbarkeit neben klassischen Three-Tier-Architekturen hyperkonvergente Infrastrukturen. Ein Beispiel für eine solche Infrastruktur ist die Nutanix Cloud Platform, eine der führenden Hyperkonvergenzarchitekturen.
Um auszuloten, welche der beiden Infrastrukturtypen energetisch, hinsichtlich der Emissionen und finanziell günstiger ist, vergleicht die Studie CO2-Ausstoß, Kosten und Energieverbrauch einer klassischer Three-Tier-Architektur mit einer hyperkonvergenten Architektur von Nutanix.
Hyperkonvergente Architekturen sind Cloud-ähnlich aufgebaut und hoch automatisiert und können an jedem Ort betrieben werden. Sie fassen zahlreiche Infrastrukturschichten, insbesondere Storage, Storage-Netz und Server, in einer komplett virtualisierten Infrastrukturschicht zusammen. Darauf arbeiten softwaredefinierte Funktionen. Das gesamte System wird von einer zentralen Managementlösung gesteuert. Sie koordiniert die einzelnen Komponenten mit dem Ziel, die Leistung des Gesamtsystems zu optimieren.
Das hat mehrere Vorteile. Erstens wird weniger Hardware im Rechenzentrum benötigt. Durch die höhere Integration sinkt zweitens auch der Datenverkehr im Rechenzentrum. Drittens sind die genutzten Systeme besser ausgelastet. Dadurch sinken Energie- und Kühlbedarf und infolgedessen Kosten und CO2-Ausstoß.
Beispielhaft seien hier die Kernkomponenten der HCI-Infrastrukturmanagementplattform Nutanix Cloud Infrastructure erwähnt. Es sind die hochautomatisierte und -skalierbare hyperkonvergente AOS Storage, der frei verfügbare Nutanix Hypervisor parallel oder alternativ zu VM und die Nutanix Kubernetes Engine für Cloud Native Deployments. Nutanix läuft auf diversen zertifizierten Hardwaretypen unterschiedlicher Hersteller.
Weitergehende Funktionen bieten Nutanix Disaster Recovery für On-Premises- und Hybrid-Cloud-Umgebungen, Flow Network Security, das sind softwaredefinierte Firewalls für Apps und Daten, Nutanix Cloud Clusters (NC2), eine intuitiv bedienbare Konsole für das einheitliche Cloud-Infrastrukturmanagement, und Nutanix Database Service (früher Era) für das übergreifende Datenbankmanagement. Letzteres reduziert den Storage-Bedarf der angebundenen Datenbanken um bis zu zwei Drittel.
Beispiel Mittelständisches Modellunternehmen
Die folgende Modellkalkulation legt ein mittelständisches Unternehmen realistischer Dimensionierung zugrunde und erfasst die Indikatoren Energieverbrauch, Energiekosten und CO2-Fußabdruck als Maß für den Einfluss aufs Klima. Basis der Berechnung sind Three-Tier- und HCI-Implementierungen, jeweils auf aktuellem technologischem Niveau.
Nach der Definition der Modellfirma werden Annahmen für verschiedene Parameter getroffen und dann die entsprechenden Specs für beide Infrastrukturvarianten definiert und kalkuliert. Am Schluss erfolgt der Vergleich der Ergebnisse.
Die Modellfirma ist ein familiengeführter Automobilzulieferer aus Westeuropa mit 85 Niederlassungen, 11.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern und einem Umsatz von 2,4 Milliarden Euro. Das IT-Team umfasst 190 Personen, 6500 Personen nutzen die IT.
Das IT-Budget des Unternehmens beträgt 55,2 Millionen Euro. Es teilt sich auf in rund 6,6 Millionen Euro für IT-Innovationen, Projekte und Governance, rund 4,4 Millionen Euro für Workplace- und Kollaborationstechnologien, rund 28,5 Millionen Euro für geschäftliche Applikationen und SaaS, rund 5,5 Millionen Euro für Netze und Verbindungstechnik sowie rund 12,1 Millionen Euro für IT-Infrastruktur und das Rechenzentrum.
Das firmeneigene Rechenzentrum hat eine Fläche von 660 Quadratmetern und befindet sich wie auch die Backup-Site auf dem Firmengelände. Eine Notstromversorgung ist vorhanden genau wie ein nicht näher bezeichnetes traditionelles Kühlsystem. Der PUE (Power Usage Effectiveness, Verhältnis von Kühl- zu Rechenenergie) beträgt 1,59, was dem globalen Durchschnitt der Rechenzentren entspricht.
Die klassische Three-Tier-Infrastruktur dieses durchgängig (24/7) betriebenen Rechenzentrums besteht aus vierhundert X86-Industriestandard-Rackserver mittlerer Leistung und drei PByte traditioneller NAS/SAN-Storage-Arrays samt Controllern. Die Netzbandbreite im Rechenzentrum liegt bei 100 Gbps. Dazu kommt als für den Energieverbrauch essentielle Komponente die Notstromversorgung.
Für die Berechnung des Energiebedarfs wurden folgende Verbrauchsanteile zugrunde gelegt: Server 40 Prozent, Storage 19 Prozent, Netzwerke 5 Prozent, Kühlung 22 Prozent, UPS 13 Prozent und anderes ein Prozent.
Emissionsdaten je nach Land und Region sehr unterschiedlich
Für die Berechnung des Kohlenstoff-Fußabdrucks braucht man neben Energieverbrauchswerten auch die länderspezifischen durchschnittlichen Emissionsdaten pro kWh. Sie unterscheiden sich zwischen den einzelnen europäischen Staaten und Regionen signifikant je nach der Struktur der Energieversorgung.
Einen sehr günstigen Kohlendioxid-Footprint hat dabei das stark mit Atomstrom versorgte Frankreich. Er liegt bei 51 Gramm CO2/kWh. Allerdings hat auch dieses System Schwächen, zum Beispiel die ungeklärte Entsorgung der Brennstäbe und der hohe Wartungsbedarf der französischen Reaktoren. Derzeit läuft die Hälfte von ihnen nicht und zwingt Frankreich, elektrische Energie aus Deutschland zu importieren.
Deutschland zählt im europäischen Vergleich wegen des durch politische Maßnahmen verzögerten Ausbaus der erneuerbaren Energien in den vergangenen 20 Jahren eher zu den großen CO2-Erzeugern bei der Energieversorgung: Dort entstehen pro Kilowattstunde immerhin 311 Gramm CO2/kWh. Nur der Nahe und Mittlere Osten steht mit 600 Gramm CO2/kWh unter den verglichenen Ländern (Frankreich, Deutschland, Niederlande, UK, übrige EU, MENA) noch schlechter da.
Für das Modellunternehmen mit Sitz in Mitteleuropa wird der europäische Durchschnittswert von 230 Gramm CO2/kWh angenommen.
Lebenszykluskosten, -verbräuche und -emissionen
Mit einbezogen werden in die RZ-Energiebilanz des Mittelständlers neben der Gebrauchs- aber auch die Herstellungsphase, der Transport und die End-of-Life-Kosten, zum Beispiel für das Refurbishment, das Recyclen oder die geregelte Ausfuhr. Für Herstellung und Logistik legt die Studie einen Anteil von 11 Prozent zugrunde, für die Abwicklung der Systeme am Ende ihres Lebenszyklus 0,2 Prozent. Das heißt, 87,9 Prozent des Energieverbrauchs und der Kohlendioxidemission entfallen auf den Gebrauch und können damit durch die Größe und Arbeitsweise der Infrastruktur beeinflusst werden.
Bei der Modellierung entsprechend den oben skizzierten Vorgaben ergeben sich folgende Werte: Der Gesamtenergieverbrauch der angenommenen Three-Tier-Infrastruktur liegt bei 4,2 GW/Jahr. Die HCI verbraucht lediglich rund 3,1 GW ((der Übersicht halber habe ich die kWh in GW umgewandelt: 1000 kw= 1 MW, 1000 MW= 1 GW)) pro Jahr. Das entspricht einem jährlichen Einsparpotential von rund 1,1 GW jährlich.
Die Kohlendioxidemissionen der klassischen Three-Tier-Infrastruktur einschließlich Herstellung, Transport und Lebenszykluskosten liegen bei 1.041 Tonnen CO2 jährlich – bei der HCI-Infrastruktur ergeben sich lediglich 763 Tonnen CO2 und damit 278 Tonnen oder 26,7 Prozent weniger.
Wie oben schon angegeben, verbrauchen Rechenzentren im Raum EMEA 2021 92,7 TWh Energie und erzeugten 27 Millionen Tonnen CO2-Äquivalente.
Drei Entwicklungsszenarien
Noch deutlicher werden die Effekte, wenn man die Untersuchung prognostisch fortschreibt. Bei einer Prognose über das laufende und die kommenden drei Jahre (2022-2025) werden verschiedene Trends und die Auswirkungen in unterschiedlichen Ländern berücksichtigt. Dazu definiert die Studie drei Szenarien.
Berücksichtigt wird dabei erstens das erwartbare Wachstum der digitalen Workloads. Denn neue Technologien wie AI oder Blockchain verlangen mehr Rechenleistung, das Gleiche gilt für Home-Office-Technologien. Verändern werden sich zweitens wohl auch das Niveau der Energiepreise und die Energiemenge, ein entscheidender Faktor beim in Frage stehenden Thema. Als Energieverbrauch der EMEA-Rechenzentren im Jahr 2025 werden 104 TWh gegenüber 95,5 TWh 2022 angenommen.
Drittens ist damit zu rechnen, dass der Anteil klassischer Three-Tier-Architekturen zugunsten von Cloud- und Edge-Infrastrukturen zurückgehen wird. Nur die zum jeweiligen Zeitpunkt noch bestehenden Three-Tier-Infrastrukturen, die gegen HCI-Infrastrukturen ausgetauscht werden können, lassen sich in die Kalkulation einbeziehen. Dabei wird angenommen, dass der Anteil der Three-Tier-Architekturen, die durch HCI ersetzt werden könnten, im Prognosezeitraum von 60 auf 50 Prozent abnimmt. Tatsächlich liegt der Anteil dieses Rechenzentrumstyps in EMEA derzeit durchschnittlich bei 56,3 Prozent.
Die Energieeinsparungen, die durch HCI möglich sind, wurden über den Prognosezeitraum hinweg und in allen drei Szenarien konstant mit den oben errechneten rund 27 Prozent bewertet.
Die variablen Faktoren der drei Szenarien spiegeln eine stabile Entwicklung, moderates und starkes Wachstum wider. Das stabile Szenario geht von einem Wachstum an digitalen Workloads von jährlich einem Prozent und stabilen Energiepreisen aus. Das moderate Wachstumsszenario setzt ein Wachstum digitaler Workloads von drei Prozent jährlich und einen Anstieg der Energiepreise um jährlich fünf Prozent voraus. Das Wachstumsszenario definiert ein Wachstum der digitalen Workloads um fünf Prozent jährlich und einen Anstieg der Energiepreise um zehn Prozent jährlich.
Einsparpotentiale durch HCI
Daraus ergeben sich auf Basis der oben dargestellten Kalkulationen bis 2025 folgende Energiesparpotentiale, wenn die bestehenden Three-Tier-Architekturen durch HCI ausgetauscht würden: im stabilen Szenario (A) 52,7 TWh, im moderaten Wachstumsszenario (B) 56,68 TWh und im Wachstumsszenario (C) 60,83 TWh.
Auch die CO2-Einsparungen sind beträchtlich: Sie betragen EMEA-weit bis 2025 13,24 Millionen Tonnen CO2-Äquivalente (A), 14,17 Millionen Tonnen CO2-Äquivalente (B) oder 15,16 Millionen Tonnen CO2-Äquivalente (C). Das entspricht insgesamt einem Kosteneinsparungspotential unter den angenommenen Bedingungen von 7,13 Milliarden Euro (A), 8,22 Milliarden Euro (B) oder 9,49 Milliarden Euro (C).
Dabei erscheint derzeit das mittlere Szenario am wahrscheinlichsten. Allerdings hat sich gerade die Preissituation durch den Ukraine-Krieg massiv verändert und zu deutlichen und fortgesetzten Steigerungen der Energiepreise um weit höhere Raten geführt. Sollte sich dieses im Projekt nicht definierte Szenario als real erweisen, würden sich insbesondere die finanziellen Auswirkungen nochmals erheblich verstärken. Denn jede nicht verbrauchte Kilowattstunde muss auch nicht bezahlt werden.
Da die Rechenzentrumsbranche sich zunehmend internationalisiert, werden im Folgenden einzelne Länder und Regionen im Detail betrachtet. Methodisch werden dafür zunächst die Energieverbräuche durch Rechenzentren im jeweiligen Land ermittelt, dann der Anteil, den Three-Tier-Rechenzentren daran haben und schließlich die länderspezifischen Energiepreise und Kohlenstoff-Äquivalente herangezogen. Daraus ergibt sich das vollständige Effizienzpotential durch HCI, das anschließend in die Faktoren Elektrizität, CO2-Ausstoß und Kosten differenziert wird. Hyperscaler- und Edge-Rechenzentren bleiben bei der Betrachtung außen vor. Grundlage ist jeweils das moderate Wachstumsszenario.
Deutschland
Europas größte Ökonomie gilt als typisch mittelständisch geprägt, beherbergt aber auch zahlreiche weltweit aktive Unternehmen aus der produzierenden und Autoindustrie. Die Rechenzentrumslandschaft ist vom mittelständischen On-Premises-Rechenzentrum über Kolokateure bis zum Hyperscaler gut entwickelt. Zentrum der RZ-Industrie ist der Raum Frankfurt.
Deutsche Rechenzentren verbrauchen im Jahr 2022 17 TWh Energie, 2025 werden es 18,8 TWh sein. Der Anteil der Three-Tier-Rechenzentren liegt derzeit bei 67 Prozent, er soll bis 2025 auf 58 Prozent schrumpfen. Der übrige Markt wandert zu den Hyperscalern. Die traditionell strukturierten RZs verbrauchen derzeit 11,4 TWh, bis 2025 sollen es noch 10,8 TWh sein.
Legt man den weiter oben ermittelten Einsparungsgrad von 26,74 % zugrunde, den HCI ermöglicht, ergibt sich ein Einsparungspotential von rund 3 TWh jährlich. Die Kosteneinsparungen steigen unter den skizzierten Bedingungen des moderaten Szenarios von 548 Millionen Euro im Jahr 2022 auf 600 Millionen Euro im Jahr 2025. Das CO2-Minderungspotential durch HCI beträgt im Jahr 2022 knapp 946.000 Tonnen CO2-Äquivalente, im Jahr 2025 noch rund 896.000 Tonnen CO2-Äquivalente.
Aggregiert man die deutschen Daten der drei Indikatoren über die erfassten Jahre, dann ergibt sich, dass Three-Tier-Infrastrukturen 44,4 TWh und HCI 32,5 TWh verbrauchen würden. Das Einsparpotential liegt mithin bei 11,9 TWh, das ist etwas mehr als der halbe jährliche Energieverbrauch von Portugal oder Neuseeland im Jahr 2021.
Das Kostensparpotential ist schon zu den maßvollen angenommenen Energiepreisen von 0,18 €/KWh erheblich – inzwischen werden bis zu 0,26 €/KWh gezahlt. Kalkuliert mit den angenommenen Werten, würden Three-Tier-Infrastrukturen in den vier erfassten Jahren 8,59 Milliarden Euro Energiekosten generieren, HCI nur 6,3 Milliarden Euro. Das ist eine Einsparung von 2,29 Milliarden Euro.
Die CO2-Einsparungen wären dank des großen Anteils von Kohle und Gas am Energiemix in Deutschland ebenfalls bemerkenswert: Three-Tier-Architekturen würden bis 2025 13,8 Millionen Tonnen CO2-Äquivalente generieren, HCI nur 10,11 Millionen Tonnen CO2-Äquivalente. Gespart würden demnach zwischen 2022 und 2025 zwischen 3,69 Millionen Tonnen CO2-Äquivalente.
Fazit und Empfehlungen
Für den On-Prem- und Kolokationsbereich gerade mittelständischer Unternehmen sind HCI-Infrastrukturen wie die von Nutanix gerade in Deutschland mit seinen relativ vielen Three-Tier-Infrastrukturen eine gute Alternative zur Verringerung von Kosten, Stromverbrauch und Kohlendioxidausstoß.
Daneben sollten Kolokateure und auch Unternehmen vorwiegend auf erneuerbare Energien zur Versorgung ihrer Infrastrukturen setzen. Sinnvoll sind langfristige Lieferverträge mit EE-Erzeugern.
Wer auf HCI migriert, sollte auch fortschrittliche, energiesparsame Kühl- und Klimatisierungstechnologien implementieren. Ein weiterer Effizienzsteigerungsfaktor ist die Abwärmenutzung, sofern sie am Standort realisierbar ist.
Unvermeidlich ist in Zukunft für RZ-Betreiber aller Schattierungen eine genaue Emissionsbuchführung, um den Ansprüchen von Kunden und Regulierung zu entsprechen. Auch Mitarbeiter und Investoren haben hier steigende Erwartungen.
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