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Brachliegende Potentiale ausschöpfen – Energieeffizienz in Rechenzentren

Adrian Altenburger, Professor für Gebäudetechnik und Energie, Hochschule Luzern – Technik & Architektur

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Institut für Gebäudetechnik und Energie IGE
Prof. Adrian Altenburger
Instituts- und Studiengangleitung
adrian.altenburger@hslu.ch
Zürich, 17.10.2019
Brachliegende Potenziale ausschöpfen –
Energieeffizienz in Rechenzentren
Energie Schweiz - 6. Forum «Effizienz in Rechenzentren»
Swisscom Business Campus in Zürich
Folie
AGENDA
- Ausgangslage und Relevanz
- Effizienzsteigerung IT – Fokus Virtualisierung
- Effizienzsteigerung Infrastruktur – Fokus Kühlung
- Neues CH-Label für Data Center Efficiency – Energie und Klimaschutz
2, 17.10.2019
Folie
Ausgangslage – Global
3, 17.10.2019
Weltbevölkerung in Mrd./ Lebenserwartung in Jahren
1960: 3 50
2018: 7.5 70
2050: 9 76
2100: 11 ?
Quelle: HSLU – SWKI Forum 2018 / Georges T. Roos Referat Megatrends / UN Report 2017
Folie
Ausgangslage – Global
4, 17.10.2019
Quelle: HSLU – SWKI Forum 2018 / Georges T. Roos Referat Megatrends / WEF 2017 – Gartner Report
Das World Economic Forum
prognostiziert, dass 10% der
Wertschöpfung künftig über
Blockchain abgewickelt wird.
Folie
Ausgangslage – Schweiz
5, 17.10.2019
Die Energiestrategie 2050 hat auch
für Rechenzentren zwei massgebende
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Erneuerbare Energien und Effizienz
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Relevanz Global
6, 17.10.2019
Quelle:Stanford University’s Steyer-Taylor Center for Energy Policy & Finance / opneflights.org 2016
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Brachliegende Potentiale ausschöpfen – Energieeffizienz in Rechenzentren

  • 1. Institut für Gebäudetechnik und Energie IGE Prof. Adrian Altenburger Instituts- und Studiengangleitung adrian.altenburger@hslu.ch Zürich, 17.10.2019 Brachliegende Potenziale ausschöpfen – Energieeffizienz in Rechenzentren Energie Schweiz - 6. Forum «Effizienz in Rechenzentren» Swisscom Business Campus in Zürich
  • 2. Folie AGENDA - Ausgangslage und Relevanz - Effizienzsteigerung IT – Fokus Virtualisierung - Effizienzsteigerung Infrastruktur – Fokus Kühlung - Neues CH-Label für Data Center Efficiency – Energie und Klimaschutz 2, 17.10.2019
  • 3. Folie Ausgangslage – Global 3, 17.10.2019 Weltbevölkerung in Mrd./ Lebenserwartung in Jahren 1960: 3 50 2018: 7.5 70 2050: 9 76 2100: 11 ? Quelle: HSLU – SWKI Forum 2018 / Georges T. Roos Referat Megatrends / UN Report 2017
  • 4. Folie Ausgangslage – Global 4, 17.10.2019 Quelle: HSLU – SWKI Forum 2018 / Georges T. Roos Referat Megatrends / WEF 2017 – Gartner Report Das World Economic Forum prognostiziert, dass 10% der Wertschöpfung künftig über Blockchain abgewickelt wird.
  • 5. Folie Ausgangslage – Schweiz 5, 17.10.2019 Die Energiestrategie 2050 hat auch für Rechenzentren zwei massgebende Pfeiler: Erneuerbare Energien und Effizienz
  • 6. Folie Relevanz Global 6, 17.10.2019 Quelle:Stanford University’s Steyer-Taylor Center for Energy Policy & Finance / opneflights.org 2016 Relevanz Global – CO2-Ausstoss RZ wie Flugverkehr
  • 7. Folie Relevanz Schweiz 7, 17.10.2019 Die Gesamtfläche aller Rechenzentren in der Schweiz mit 11 oder mehr Servern beträgt 235'000m2. Damit liegt die Schweiz im europäischen Vergleich auf Rang sechs. In der Schweiz sind 1300 firmeninterne Rechenzentren in Betrieb, wobei 80% in Grossunternehmen stehen. Bei den mittleren Unternehmen mit 50-250 Vollzeitangestellten haben lediglich 4% der Unternehmen ein eigenes Rechenzentrum. Rund 150'000m2 Rechenzentrumsfläche werden von Drittanbietern zur Verfügung gestellt. Damit liegt die Schweiz bei der Rechenzentren-Dichte auf Rang zwei hinter Irland . Den externen Anbietern kommt damit eine wesentliche volkswirtschaftliche Bedeutung bei der Versorgung der kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) zu. Quelle BFE/asut Studie 2014: https://www.newsd.admin.ch/newsd/message/attachments/36250.pdf Relevanz Schweiz – Rang 2 in Europa (RZ-Dichte CoLo)
  • 8. Folie Potenziale - Typischer Energiefluss in Rechenzentren – 96% Verluste 8, 17.10.2019 Quelle BFE Studie 2015: https://www.newsd.admin.ch/newsd/message/attachments/40638.pdf
  • 9. Folie Effizienzsteigerung IT – Fokus Virtualisierung (Serverauslastung) 9, 17.10.2019 Quelle: BFE Studie 2015 / IBM 40.38% 28.47% 20.84% 10.32% Server Netzwerk Storage Backup Quelle: BFE Studie 2015 / In&Out Typische Serverauslastung in RZ Typische Energieanteile IT in RZ
  • 10. Folie Effizienzsteigerung IT – Virtualisierung (Leistungsaufnahme in Abhängigkeit Auslastung) 10, 17.10.2019 Quelle: BFE Studie 2015 / IBM
  • 11. Folie Effizienzsteigerung IT – Virtualisierung (Lebenszykluskostenvergleich) 11, 17.10.2019 Zweck Virt./Konsol. IBM P7+ [CHF] Konventionell x86 Intel [CHF] Hardware inkl.3 Jahre Wartung 1'270'428 315'617 Software inkl.3 Jahre Wartung 1'809'571 4'454'937 Stromkosten 3 Jahre 45'515 73'604 LAN/SAN 3 Jahre 24'000 174'000 Personalkosten 3 Jahre 660'000 1'320'000 SUMME 3'809'515 6'338'158 Relativ zu IBM P7+ +66% Quelle: BFE Studie 2015, Kostenvergleich Virt. vs Konv., TCO 3 Jahre Rechen- zentrum Server zuvor Server virtualisiert Reduktion der Netzwerk- anschlüsse Server Energie- reduktion Bank D 61 Server 345.6 kW 1 Server 14.7 kW 93% 96% Bank CH 157 Server 332 kW 2 Server 45.4 kW 89% 86% Detailhandel 250 Server 150 kW 2 Server 22.6 kW 95% 85% Bank USA 45 Server 1 Server 92% 75% Versicherung 4 Server 1 Server 50% 60% Vergleich der Energieeinsparung durch virtualisierte Servern (Quelle: IBM)
  • 12. Folie Effizienzsteigerung Infrastruktur – Power Usage Effectiveness (PUE) mit Fokus Kühlung 12, 17.10.2019 Quelle: RMI DataCenter Charrette 2003, San Jose, CA / USA Quelle: Emerson Network Power, 2013
  • 13. Folie ASHRAE Standard setzt Voraussetzungen mit Committment IT-Industrie 13, 17.10.2019 Bild: RMI DataCenter Charrette 2003, USA Empfohlene Luftein- trittstemperatur am IT-Equipment = 27°C
  • 14. Folie Klimatische Rahmenbedingungen Schweiz 14, 17.10.2019 Rackzuluft 27°C (ASHRAE 2008) Adiabat gekühlte Aussenluft 22°C dT > 5K
  • 15. Folie Thermodynamische Folgerung & bauliche Konsequenz – 100% Freecooling / Einhausung 15, 17.10.2019
  • 16. Folie Referenz Umbau HSLU Enterprise Lab Horw – 100% Freecooling (PUE = 1.09) 16, 17.10.2019 5 Jahre Betriebserfahrung und Monitoring: In 5 Jahren 110’000 CHF Stromkosten eingespart.
  • 17. Folie Referenz Neubau ÖKK Hauptsitz Landquart – 100% Freecooling (PUE < 1.2), TABS-Heizung 17, 17.10.2019 Win-Win-Resultat: Energie = ca. -15'000 CHF/a* Investition = ca. -250'000 CHF * mit 15 Rp./kWhe PUE < 1.2 Anteil Eek = 4% PUE < 1.3 Anteil Eek = 14%
  • 18. Folie Referenz ETH Lugano CSDS – 100% Seewasserkühlung & Abwärmenutzung Gemeinde (WP) 18, 17.10.2019 Quelle: CSCS / ETH, November 2017
  • 19. Folie Weitere Potenziale – CPU-Kühlung und direkte Heizwärmenutzung (Pilot ETHZ, PUE = 1.15) 19, 17.10.2019 Quelle: ETHZ / IBM / A+W, 2010
  • 20. Folie Weitere Potenziale – Tauchsiedekühlung mit direkter Abwärmenutzung (PUE = 1.08) 20, 17.10.2019 IT-Komponenten in Flüssigkeit mit 61°C Siedetemperatur Bilder HSLU Institut für Gebäudetechnik und Energie IGE, RZ Lab 3M Attinghausen (2018)
  • 21. Folie Effizienz- und Klimaschutzlabel für Rechenzentren Zielsetzung Schweiz - nachhaltiger Standort für RZ Energieverbrauch - Wachstumsbegrenzung Daten - klimaneutrale Prozesse Prognose Bei dem derzeitigen Wachstumstempo werden die Schweizer Rechenzentren in weniger als 15 Jahren mehr als 40% des Schweizer Stroms verbrauchen * * Gartner-Studie für die Schweiz Partner Kriterien • Energieffizienz (IT und Infrastruktur RZ) • Klimaschutz – Reduktion der CO2-Emissionen
  • 22. Folie Entwicklung bisher Nächste Schritte Neue Methode zur Messung der Energieeffizienz (inkl. IT) 7 Pilotprojekte erfolgreich abgeschlossen - >70% Energieeffizienzsteigerung Trägerschaft: SADCE (ASUT, EPFL, HSLU, Vigiswiss) - unterstützt vom BFE Politische Sichtbarkeit und Annahme Genf, französischsprachige Schweiz (CRDE) Veröffentlichung des Labels Erhöhen der Anzahl Pilotprojekte Festlegung der operativen Struktur des Vereins (Steuerung, Betrieb, Zertifizierung usw.) Ausdehnung der Adoption auf alle Kantone Entwicklung des Business Case zur Finanzierung der Aktivitäten rund um das Label (z. B. Kantone, BFE oder SADCE) Label Ziel: Ende 2019
  • 23. Folie Fazit - Rechenzentren als System – disziplinäre Exzellenz und interdisziplinäres Verständnis notwendig - Servervirtualisierung als treibender Parameter für die Gesamteffizienz (>90% bessere IT-Effizienz) - PUE < 1.2 als Standard ohne Mehrinvestitionen möglich (>75% bessere Infrastruktureffizienz) - Label als Motivation für gesamtheitliche Effizienz und Nachhaltigkeit (evtl. regulative Wirkung) 23, 17.10.2019
  • 24. Folie Foto: ETH Zürich – Studio Monte Rosa/Tonatiuh Ambrosetti www.hslu.ch/ige