Wie grün ist die Cloud?

Im Raum Frankfurt sind allein die Rechenzentren für 20 Prozent des gesamten Strombedarfs verantwortlich. Deutschlandweit sind es zwei Prozent. Das Borderstep Institut hat ausgerechnet, dass der Energiehunger der Rechenzentren in den nächsten 10 Jahren von derzeit 12 Mrd. kWh auf über 16 Mrd. kWh ansteigen wird. Damit dieser Mehrbedarf gedeckt werden kann, wäre ein zusätzliches mittelgroßes Kohlekraftwerk nötig [1]

Die Cloud als Stromsparer

Der Hauptgrund für den wachsenden Energiehunger in den Rechenzentren ist die Cloud. Dabei gelten Anwendungen aus der Cloud als besonders energieeffizient. Mehrere Studien haben in Abhängigkeit von der Unternehmensgröße  Einsparpotenziale zwischen 30 und 90 Prozent im Vergleich zum Eigenbetrieb errechnet [2]. Den größten Stromspareffekt hat ein Wechsel in die Cloud für kleine Unternehmen. Begründet wird das vor allem mit einer besseren Auslastung der Kapazitäten in der Cloud. Darüber hinaus arbeiten die großen Cloud-Datacenter in der Regel energieeffizienter als kleine Rechenzentren bzw. Serverräume.

Wie effizient ein Rechenzentrum ist, kann man am PUE-Wert ablesen (Power Usage Effectiveness). Dieser gibt an, wie hoch der Strombedarf des gesamten Rechenzentrums im Vergleich zum Strombedarf der eigentlichen IT ist. Wenn zum Beispiel Klimatisierung, USV und anderen Systeme genauso viel Strom verbrauchen wie die IT-Systeme selbst, ist der PUE-Wert gleich zwei. Würde der gesamte Strom ausschließlich von den  IT-Systemen verbraucht werden, wäre der PUE-Wert gleich eins. Während kleine und auch ältere Rechenzentren im Durchschnitt auf einen PUE-Wert von deutlich über zwei kommen, liegt er in den modernen, großen Rechenzentren meist unter zwei.

Der Rebound-Effekt einer steigenden Nachfrage

Dass trotz aller Energie-Effizienz der Strombedarf auf Seiten der Rechenzentren wächst, liegt daran, dass immer mehr Daten und Prozesse in die Cloud ausgelagert werden und die Nachfrage nach cloudbasierten Leistungen steigt. Eine klassischer Fall von Rebound-Effekt: Was mit einer besseren Energie-Effizienz eingespart werden konnte, wird durch eine erhöhte Nachfrage wieder kompensiert. So ist der Stromverbrauch der Endgeräte in den letzten Jahren kontinuierlich gesunken. Dennoch verbraucht ein iPhone heute mehr Strom als ein Kühlschrank (sofern dieser noch nicht vernetzt ist, im Internet surft und Lebensmittel bestellt). Auch wenn es uns nicht so vorkommt, weil der Akku ständig leer ist – Smartphone und Tablet benötigen selbst relativ wenig Strom. Es sind die Internetverbindungen sowie die Daten und Applikationen aus den Rechenzentren, die den Gesamtstromverbrauch bei durchschnittlicher Nutzung mal eben verfünffachen [2].

In den Unternehmen sieht es ganz ähnlich aus: Während sich die eigene Energiebilanz verbessert, werden immer mehr Leistungen über das Internet aus externen Rechenzentren genutzt. So geht Cisco in seinem Global Cloud Index davon aus, dass bis 2019 mehr als vier Fünftel der Datacenter-Leistungen aus Cloud-Rechenzentren kommen wird (siehe Abb. 1). 2020 soll der Cloud-Anteil sogar schon über 90 % betragen [3]. Das bedeutet nicht nur einen wachsenden Strombedarf für die Rechenzentren;  auch die Netzwerke brauchen mehr Energie für den Datentransfer – genauer gesagt 83 Prozent mehr bis 2025 allein in Deutschland [2].

Abb. 1. Jährliche Wachstumsraten in traditionellen und Cloud-Rechenzentren
Quelle: [1] mit Daten von Cisco Cloud Index 2014-2019

Wegen der wachsenden Nachfrage schießen auch im Raum Frankfurt neue Datacenter wie Pilze aus dem Boden. Bis 2018 wird die Fläche der Rechenzentren laut Digitalhub auf ca. 600.000 Quadratmeter anwachsen – das entspricht der Fläche von 84 Fußballfeldern! Der zusätzliche Strombedarf kann kaum noch durch eine höhere Energie-Effizienz der Endgeräte kompensiert werden. Und auch die Effizienz-Potenziale der Rechenzentren sind bald ausgereizt. Rechenzentren der neuesten Generation erreichen bereits PUE-Werte von kleiner 1,2 und passen sich mit skalierbaren Klima- und Energiezellen der jeweiligen Auslastung an. Allerdings produzieren die Rechenzentren mit ihrem großen Energiebedarf auch jede Menge Abwärme. Wenn man damit Wohnungen mit Wärme versorgen könnte anstatt sie ungenutzt in die Luft zu pusten, würde das die Ökobilanz deutlich verbessern.

Zu viel Energie für zu wenig Leistung

Die meiste Luft nach oben gibt es noch bei der Auslastung der Hardware. Die PUE-Werte machen ja nur eine Aussage über die Effizienz der Rechenzentrumsinfrastruktur, nicht aber darüber, wie energieeffizient die eigentlichen IT-Systeme eingesetzt werden.  PUE-Werte werden häufig auf der Basis einer Vollauslastung angegeben. Es werden aber nicht ständig alle IT-Kapazitäten für die jeweilige Leistungserbringung benötigt. Virtualisierung und Cloud Computing bedeuten in der Praxis nicht zwangsläufig, dass die Hardware immer optimal eingesetzt wird. Messungen bei Cloud Providern ergaben, dass auch dort die Server die meiste Zeit zu weniger als 10 % ausgelastet sind [4; siehe auch 2].

Da die Stromaufnahme eines Servers nicht linear mit der Last wächst, sondern selbst im Ruhezustand bis zu 50 % des Maximums beträgt, wird in den Rechenzentren sehr viel Strom allein für die Bereithaltung von Kapazitäten verbraucht.  Die Kunst besteht nun darin, die Auslastung der Hardware automatisch in Abhängigkeit von der tatsächlich benötigten Leistung zu optimieren und gleichzeitig dafür zu sorgen, dass jede virtuelle Maschine jederzeit die vertraglich zugesagte Leistung  auch abrufen kann. Mit moderner Cloud-Software kann man diesem Ziel heute schon recht nahe kommen.

Mehr IT aus der Cloud ohne noch mehr Strom aus Kohle

Damit das Wachstum des IT-Sektors und hier insbesondere der Cloud nicht zu Lasten des Klimas geht, wäre eine Versorgung der Cloud-Datacenter mit Strom aus regenerativen Quellen ideal. Wie auch eine aktuelle Studie von Greenpeace zeigt, ist das einfacher gesagt als getan [5]. In Deutschland kommt inzwischen fast 30 Prozent des Stroms aus erneuerbaren Energiequellen. Dennoch könnten wahrscheinlich nicht alle Rechenzentren über Nacht mit „grünem Strom“ versorgt werden, selbst wenn sie es wollten. Die meisten werden noch mit Strom aus fossilen Brennstoffen bzw. Kernenergie versorgt. Die Greenpeace-Studie zeigt aber auch, dass Cloud-Provider und große Rechenzentrums-Betreiber wichtige Impulse zum Ausbau der Versorgung mit regenerativer Energie setzen können.

Und wie grün ist die Dunkel Cloud?

Die von uns genutzten Rechenzentren schneiden bei der Energie-Effizienz mit einem PUE-Wert von 1,5 bzw.  1,35 schon ziemlich gut ab.

Auch wenn hierzulande der Strom der größte Kostenpunkt im Rechenzentrum ist, müssen sich moderne IT-Leistungen und Klimaschutz nicht unbedingt ausschließen. Für die Systeme der Dunkel Cloud beziehen wir an beiden Standorten Strom aus regenerativen Energiequellen. Darüber hinaus wird auch die Infrastruktur des gesamten Rechenzentrums in Frankfurt mit „grünem Strom“ versorgt.

Quellen

[1] R. Hintemann (2015): Energy consumption of data centers continues to increase – 2015 update

[2] R. Hintemann & J. Clausen (2016): Green Cloud? The current and future development of energy consumption by data centers, networks and end-user devices. In P. Grosso, P. Lago, & A. Osseyran (Eds.), Proceedings of ICT for Sustainability 2016. Amsterdam, The Netherlands: Atlantis Press.

[3] Cisco Global Cloud Index: Forecast and Methodology, 2015–2020

[4] E. Masanet et al. (2013): The Energy Efficiency Potential of Cloud Based Software: A U.S. Case Study. Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California.

[5] Greenpeace (2016): Grüner klicken. Greenpeace bewertet den Energieverbrauch von Internetunternehhmen