Auf europäischer Ebene sollen ab 2020 jährlich 20 Mrd. € investiert werden; die deutsche Bundesregierung hat bis zum Jahr 2025 insgesamt 3 Mrd. € für Investitionen in KI lockergemacht. Das sind allein in Deutschland immerhin eine halbe Milliarde Euro pro Jahr. Dagegen scheinen die 27 Mio. €, die das Bundesumweltministerium für die Förderinitiative „KI-Leuchttürme für Umwelt, Klima, Natur und Ressourcen“ bereitstellt, fast mickrig.

Dabei sind gerade die Potenziale für mehr Umweltschutz durch künstliche Intelligenz enorm und müssen im Angesicht der globalen Umweltprobleme möglichst schnell gehoben werden. Mit Hilfe von KI können komplexe Systeme wie das Klima besser verstanden werden. KI-Anwendungen bieten insbesondere im Bereich der Mobilität, der Energie und der Landwirtschaft viele Möglichkeiten, die Umweltbelastungen zu senken. Und auch für Rechenzentren gibt es „rosige“ Aussichten. Google konnte mit Hilfe des gekauften KI-Startups Deepmind den Energiebedarf der Rechenzentrumskühlung um 40% reduzieren. KI kann helfen, Nah- und Fernwärmenetze so zu konzipieren und zu betreiben, dass die Abwärme aus Rechenzentren besser genutzt werden kann.

Führt künstliche Intelligenz zu mehr Umweltschutz?

Dennoch ist es keineswegs ein Automatismus, dass KI zu mehr Umweltschutz führt. Schon seit Jahrzehnten ist festzustellen, dass sich die Hoffnungen zur Reduktion des Energie- und Ressourcenbedarfs durch digitale Technologien oft nicht erfüllen. Digitale Lösungen haben zwar eine enormes Umweltschutzpotenzial, unterstützen aber meist auch gleichzeitig das Wachstum des Energie- und Ressourcenbedarfs. Ein paar Beispiele:

• Das papierlose Büro fast immer noch eine Illusion. Jeder Deutsche benötigt aktuell jährlich 242 kg Paper pro Kopf, das ist weltspitze. Im Jahr 1980 lag der Pro-Kopf-Papierbedarf in Deutschland noch bei 150 kg.
• Telefon- und Videokonferenz werden zwar mehr und mehr durchgeführt, die Zahl der Dienstreisen nimmt aber dennoch zu. Sie ist zwischen 2004 und 2017 um fast 30% angestiegen
• Digitale Logistiklösungen führen dazu, dass Lkw-Leerfahrten vermieden werden und Routen optimal geplant werden können. Das führt aber nicht zu weniger Verkehr. Im Gegenteil: Der Straßengüterverkehr hat zwischen 2010 und 2017 um mehr als 25% zugenommen.

Auch für KI-Anwendungen ist die Gefahr gegeben, dass sie nicht zu einer Umweltentlastung führen. Autonom fahrende Autos könnten zwar genutzt werden, um den Verkehr zu reduzieren. Das wäre der Fall, wenn wir uns künftig die Fahrzeuge teilen würden. Es ist aber auch möglich, dass die Zahl der Autos deutlich ansteigt, weil auch Kinder oder andere Personen ohne Führerschein ein eigenes Auto fahren können. Für den Güterverkehr ist es eine Illusion, dass autonom fahrende LKW zu weniger Verkehr führen. Wenn keine Ruhezeiten für die Fahrer mehr notwendig sind, können die LKWs praktisch rund um die Uhr genutzt werden.

Ein weiterer wichtiger Aspekt: Wie viel Energie und Ressourcen benötigen die KI-Anwendungen selbst? Gemäß Cisco haben Anwendungen aus dem Bereich „Database/Analytics/IOT” bereits heute einen Anteil von etwa 15% an den Workloads der Rechenzentren weltweit, Tendenz deutlich steigend. KI-Anwendungen in den Bereichen Deep-Learning, Simulationen und Prognosen benötigen teilweise enorme Rechenleistungen und verursachen so hohe Energie- und Ressourcenbedarfe. Forscher der University of Massachusetts haben ermittelt, dass das Training einer KI-Anwendung zur Spracherkennung fünfmal so viel CO₂ erzeugt wie ein Auto während seiner gesamten Lebensdauer. Der Ressourcenbedarf der KI-Anwendungen ist ganz entscheidend von der verwendeten Hardware abhängig. Konventionelle CPUs sind für die meisten Anwendungen eher ungeeignet. Viel mehr Leistung – und damit auch weniger Energie – kann durch die Nutzung von Graphikprozessoren (GPUs), FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) oder speziellen ASICs wie Googles TPU (Tensor Processing Units) erreicht werden. Auch neuromorphore Microchips bieten enorme Energieeffizienzpotenziale bei KI-Anwendungen. Die Frage, wie KI möglichst energie- und ressourceneffizient betrieben werden kann, wird bisher allerdings noch kaum gestellt. Neben der der Hardware sind hier auch die verwendeten Orchestrierungswerkzeuge, die KI-Frameworks und die KI-Modelle entscheidend.

Es besteht Handlungsbedarf für Politik und Unternehmen

Was ist also zu tun? Eines scheint klar: KI führt nicht von selbst zu mehr Umweltschutz. Politik und Unternehmen müssen in ihren Handlungen und konkreten KI-Projekten die Nachhaltigkeit der Lösungen immer mitdenken. Politische Maßnahmen müssen so gestaltet sein, dass die enormen Umweltschutzpotenziale der KI auch genutzt werden. KI darf nicht dazu führen, dass der Energie- und Ressourcenbedarf sogar weiter ansteigt. Unternehmen sollten – auch aus Kostengründen – ihre KI-Lösungen so entwickeln und einsetzen, dass sie möglichst effizient betrieben werden kann.

Letztendlich benötigen wir für KI-Anwendungen spezielle, optimierte, energie- und ressourceneffiziente Cloud-Architekturen und Cloud-Infrastrukturen. Diese können von den bekannten Global Playern angeboten werden. Aber auch der Aufbau von europäischen oder nationalen Lösungen scheint aus vielen Gründen eine überlegenswerte Alternative. Fördermittel in Milliardenhöhe ständen ja zur Verfügung.

Das kontinuierliche Bestreben von Transgourmet nachhaltig zu handeln, wurde durch den Einsatz der umweltverträglichen Kälteanlage weiter ausgebaut. Die AdKMs verwenden nicht nur Wasser als Kältemittel, sondern nutzen zudem auch die überschüssige Wärme der BHKWs als Antriebsquelle zur optimalen Kälteerzeugung.

Die BHKWs liefern insgesamt 100 kW elektrische Leistung und 160 kW thermische Leistung. Sie erzeugen durch den Wärmeantrieb für die Kältemaschinen zusätzlich jährlich ca. 287.000 kWh Strom für den eigenen Verbrauch und werden ebenfalls als Notstromaggregat verwendet.

Dadurch verzichtet Transgourmet komplett auf ein wartungsintensives Diesel-Notstromaggregat. Die AdKMs und die darin integrierte Freikühlfunktion reduzieren zusätzlich den Stromverbrauch für die Kühlung des Serverraums pro Jahr um 110.000 kWh im Vergleich zu einer herkömmlichen Kompressionskältemaschine.

Darüber hinaus kann die BHKW-Abwärme während dem Freikühlbetrieb zur Deckung des Heizwärmebedarfs verwendet werden. „Mit dieser Investition können wir Ökonomie, Ökologie und Versorgungssicherheit in Einklang bringen.“, berichtet Frau Jonasson begeistert, Energiemanagerin bei Transgourmet Deutschland.

Die jährliche CO2-Einsparung liegt bei 63 Tonnen und bereits nach 3,8 Jahren ist das System vollständig amortisiert.

Weitere Informationen finden Sie hier.

Der Stromverbrauch der Rechenzentren steigt. Und damit auch die Menge der Abwärme, die ungenutzt an die Umgebung abgegeben wird. Allein in Deutschland sind das über 13 Mrd. kWh. Damit könnte eine Großstadt wie Frankfurt mit Wärme versorgt werden.

Wie eine NeRZ-Studie zeigt, haben Rechenzentrumsbetreiber in Deutschland ein hohes Interesse am Thema Abwärmenutzung. Bislang wird allerdings kaum Abwärme aus Rechenzentren genutzt. Als Gründe hierfür werden insbesondere die mangelnde Wirtschaftlichkeit und fehlende Abnehmer für die Abwärme angegeben.

Das neue Whitepaper zum Thema Abwärmenutzung aus Rechenzentren soll dazu beitragen, dass dem Thema Abwärme aus Rechenzentren mehr Aufmerksamkeit gewidmet wird. Insbesondere in Deutschland sind die gesetzlichen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen für Abwärmenutzung aus Rechenzentren noch sehr schlecht. Hier sind Rechenzentrumsbetreiber, Behörden, Politik und potenzielle Abwärmenutzer gefragt. Das Whitepaper zeigt anhand von vielen Beispielen auf, welche Möglichkeiten bereits heute bestehen und wie sich die Abwärmenutzung aus Rechenzentren in Zukunft entwickeln kann. Insbesondere deutsche Technologieunternehmen bieten Lösungen an, wie Abwärme aus Rechenzentren selbst unter schwierigen Rahmenbedingungen genutzt werden kann.

Weitere Informationen: www.ne-rz.de

Im nächsten Jahrzehnt werden insbesondere mit dem Ausbau der 5G-Netze, dem Aufbau von Systemen zum autonomen Fahren und Industrie4.0-Technologien immer mehr Klein- und Kleinstrechenzentren aufgebaut. Dabei reicht die Spannweite von Mikrorechenzentren mit wenigen Servern bis hin zu leistungsstarken Kompakt-Rechenzentren, in denen mehrere hundert bis tausend Serversysteme arbeiten. Die Edge-Rechenzentren verarbeiten Daten nahe am Entstehungsort. Entscheidend ist dabei meist, dass Datenmengen zu groß oder die Latenzzeit zu lang ist, um weiter entfernte zentrale Rechenzentren zu nutzen.

Der Aufbau dieser Rechenzentren wird allerdings nicht dazu führen, dass klassische zentrale Rechenzentren ersetzt werden. Im Gegenteil, je mehr Edge-Rechenzentren es gibt, desto größer wird auch der Bedarf an zentralen Rechenzentren. Edge Computing wird die Digitalisierung weiter voran treiben, ähnlich wie die Einführung von Personal Computern den Bedarf an zentraler IT erst richtig hat ansteigen lassen.

Aus Sicht der Umwelt stellt sich die Herausforderung, wie die neuen Edge-Rechenzentren möglichst energieeffizient betrieben werden. Die Gefahr ist groß, dass bei solch relativ kleinen Systemen das Thema Energieeffizienz vernachlässigt wird. Dabei gibt es kostengünstige, zuverlässige und energieeffiziente Systeme, die sich gerade für Edge-Rechenzentren anbieten. Eine solche Lösung, die auf flüssiggekühlten Servern beruht und mit Adsorptionskältemaschinen arbeitet wird im Projekt HotFlAd erprobt und praktisch umgesetzt.

Diese Frage diskutierte das Borderstep Impact Forum am 21. Mai 2019 im Harnack-Haus in Berlin in fünf Fachforen und einer Podiumsdiskussion. Auf dem Panel debattierten Rita Schwarzelühr-Sutter, Parlamentarische Staatssekretärin im BMU, Per Thoeresson, Botschafter von Schweden, Dr. Bela Waldhauser, CEO von Telehouse Deutschland und Dr. Jens Struckmeier, Gründer und CTO von Cloud&Heat Technologies.

In ihrer Keynote analysierte Rita Schwarzelühr-Sutter positive und negative Auswirkungen der Digitalisierung. „Digitalisierung ist der Schlüssel für eine nachhaltige Entwicklung, doch ist es wichtig, dass wir es in der Hand haben, in welche Richtung es geht.“

Per Thoeresson, Botschafter von Schweden, unterstrich in seinem Redebeitrag, dass Schweden bereits seit 1991 eine Steuer auf den Ausstoß von Kohlendioxid erhebt. Die Bürgerinnen und Bürger unterstützen das. Mehr noch – Nachhaltigkeit als Ausgangspunkt jeden Regierungshandelns ist sogar in der schwedischen Verfassung festgeschrieben. Doch im Alleingang kann auch ein vorbildlich aufgestellter Staat wenig erreichen. „Nur die Zusammenarbeit innerhalb Europas ermöglicht eine wirklich smarte Digitalisierung.“

Das Fachforum „Rechenzentren: Die energieeffiziente Basis der Digitalisierung?“, das u.a. vom Netzwerk energieeffiziente Rechenzentren organisiert wurde, befasste sich mit aktuellen Trends wie Edge Computing, Industrie 4.0 und Blockchain. Es wurde vorgestellt, wie eine Gaming-Plattform als Management-Tool für das Rechenzentrum genutzt werden kann und welche Potenziale in einer verteilten Edge-Lösung für mehr Nachhaltigkeit bestehen.

Steigende Leistungsdichten von IT-Systemen stellen die typische Luftkühlung immer mehr vor Herausforderungen. Wasser als Kühlmittel ermöglicht einen gleichmäßigen Wärmetransport und kann eine große Wärmemenge abführen. Außerdem ist die Wasserkühlung effizienter. Aus diesen Gründen hat sie sich in der Vergangenheit im Automobil bei immer weiter steigenden Leistungsdichten der Motoren vollständig durchgesetzt. Auch für IT-Systeme werden seit einigen Jahren mehr und mehr flüssigkeitsbasierte Lösungen angeboten. Bislang werden diese vor allem im High Performance Computing bei Hochschul- und Forschungsrechenzentren eingesetzt, wie eine NeRZ-Befragung bei Rechenzentrumsbetreibern ergab.

Hochschul- und Forschungsrechenzentren erwarten auch für die Zukunft mehrheitlich steigende Leistungsdichten ihrer IT-Systeme: Mehr als 50% der Betreiber solcher Rechenzentren gehen davon aus, dass sie im Jahr 2025 mehr Server betreiben, aber 85 % gehen von gleichbleibender oder sinkender IT-Fläche in ihrem Rechenzentrum aus (siehe Grafik). 

Es ist also zu erwarten, dass aufgrund der dargestellten Vorteile in Zukunft immer mehr IT-Systeme mit Wasserkühlung in Hochschul- und Forschungsrechenzentren betrieben werden. NeRZ-Mitglied Thomas Krenn bietet mit seinem Hot-Fluid-System ein innovatives Kühlkonzept für Server und andere RZ-Komponenten an, das Flüssigkühlung und die Möglichkeit der Abwärmenutzung verbindet. Das Kühlwasser mit einer Temperatur von 55°C oder mehr kann sehr gut für Zwecke der Heizung oder Warmwasserversorgung genutzt werden. Auch eine Kombination mit einer Adsorptionskältemaschine wäre möglich. NeRZ-Mitglied InvenSor stellt entsprechende Lösungen zu Verfügung.

Weitere Informationen zum Thema Energieeffizienz in Rechenzentren: www.ne-rz.de

Große internationale Cloud-Unternehmen setzen sehr stark auf die Verwendung regenerativ erzeugten Stroms – und auch die Nutzung der Abwärme der Rechenzentren tritt mehr und mehr in den Fokus. Skandinavien zeigt da vorbildlich, was alles möglich ist.

Aber auch für kleine und mittlere Rechenzentren wird das Thema des nachhaltigen Betriebs immer wichtiger. Die hohen Strompreise in Deutschland bieten Anreize, mit neuen Technologien Energie und Kosten einzusparen. Auch neue Rahmenbedingungen wie die Verknappung von Teilfluorierten Kohlenwasserstoffen (HFKW) als Kältemittel für Rechenzentren stellen die Betreiber vor Herausforderungen.

Der Markt – und hier insbesondere auch der innovative deutsche Mittelstand – stellt Lösungen zur Verfügung, Rechenzentren in Zukunft noch nachhaltiger zu betreiben. Das Spektrum reicht von flüssiggekühlten Servern und Adsorptionskältemaschinen bis hin zu innovativen Ansätzen der Batteriespeicherung im Rechenzentrum. Auch neue Möglichkeiten der Abwärmenutzung und alternative Methoden der Kälteerzeugung mit Wasser bieten Chancen für das energieeffiziente Rechenzentrum von Morgen.

Das Netzwerk energieeffiziente Rechenzentren (NeRZ) möchte über solche Ansätze informieren und führt am 9. Mai 2019 in Frankfurt einen Anwenderworkshop zum Thema „Neue Technologien für die Rechenzentrum von Morgen“ durch. Die Veranstaltung ist kostenfrei. Die Zahl der Teilnehmer ist begrenzt. Weitere Informationen finden Sie hier.

Weitere Informationen zum Thema Energieeffizienz in Rechenzentren: www.ne-rz.de

Wie sich der Rechenzentrumsmarkt und insbesondere das Thema der Energieeffizienz in Rechenzentren in Deutschland entwickelt, ist Thema einer aktuellen Umfrage bei Rechenzentrumsbetreibern. Die Umfrage wird vom Borderstep Institut im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Forschungsprojektes TEMPRO durchführt.  

Rechenzentrumsbetreiber werden gebeten, sich an dieser vertraulichen Umfrage zu beteiligen. Unter allen Teilnehmern wird ein IPad verlost. Die Forscher erhoffen sich, mit Hilfe der Ergebnisse der Befragung auch künftig Informationen zur Marktentwicklung und zur Entwicklung der Energieeffizienz im Deutschland zur Verfügung stellen zu können.

Server in Rechenzentren erzeugen hohe Mengen an Abwärme, die bisher mit hohem Energieaufwand aus dem Gebäude abgeführt und an die Umwelt abgegeben wird. Viel mehr Sinn würde es machen, diese Abwärme zu nutzen. Das dies nicht geschieht, liegt aus Sicht der Rechenzentrumsbetreiber vor allem an drei Gründen. Zum einen ist die Nutzung der Abwärme in Deutschland oft zu teuer. Zum zweiten findet sich oft kein Abnehmer für die Abwärme in der Umgebung des Rechenzentrums. Und zum dritten ist das Niveau der Abwärme mit etwa 30 bis 40°C oft zu niedrig, um sie einer sinnvollen Nutzung zukommen zu lassen (Grafik).  

In dem neuen Forschungsprojekt wird genau an dieser Stelle angesetzt. Ziel ist es, eine wirtschaftlich attraktive Nutzung von Abwärme in Rechenzentren zu ermöglichen. Mit Hilfe der von der Thomas Krenn AG entwickelten Hot Fluid Computing-Technologie wird die Abwärme der Server mit Wasser abgeführt und kann auf hohem Temperaturniveau (> 55°C) zum Zwecke der Gebäudeheizung oder für Brauchwassererwärmung zur Verfügung gestellt werden. Im Rahmen des Projektes wird diese Technologie aber auch genutzt, um in einem standardisiertem Rechenzentrum („Private Datacenter“ von dc-ce RZ-Beratung und Tobol) mit Hilfe einer Adsorptionskältemaschine von InvenSor Kälteleistung zu erzeugen. Die Kombination aus Abwärme und Adsorptionskälte erlaubt es, die Serverabwärme zum kühlen zu nutzen. Gekühlt werden können z.B. die im Rechenzentrum vorhandenen  Speichersysteme, Netzwerkkomponenten oder Unterbrechungsfreien Stromversorgungen.  Durch die Kombination der drei Ansätze „Private Datacenter“, „Hot Fluid Computing“ und „Adsorptionskältemaschine“ soll eine Effizienzsteigerung von mindestens 300% gegenüber konventionellen Rechenzentren erreicht werden. Das neue Konzept wird zum einen unter Laborbedingungen an der TU Berlin (Hermann Rietschel Institut) und zum anderen unter Praxisbedingungen bei Noris Networks umgesetzt und demonstriert.

HotFlAd wird im Rahmen der Förderinitiative „EnEff.Gebäude.2050 – Innovative Vorhaben für den nahezu klimaneutralen Gebäudebestand 2050“ vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.

Das Problem der mangelnde Verfügbarkeit von Fachkräften in der IT-Branche in Deutschland verschärft sich seit Jahren. Die Zahl der freien Stellen für IT-Spezialisten hat sich nach Angaben des Digitalverbandes Bitkom zwischen 2009 und 2018 auf 82.000 mehr als vervierfacht (Grafik). Auch im Bereich der Rechenzentren fehlen seit Jahren qualifizierte Arbeitskräfte. Aus Mangel an Alternativen werden oft Mitarbeiter für den Betrieb der Rechenzentren eingesetzt, die lediglich über rudimentäre Kenntnisse verfügen. Dies gefährdet zum einen die Ausfallsicherheit von Rechenzentren, führt aber auch dazu, dass Energieeffizienzpotenziale nur selten ausreichend realisiert werden. Zu diesen Ergebnisse kommt eine aktuelle Untersuchung des Netzwerks energieeffiziente Rechenzentren.

Der Fachkräftemangel wirkt sich auf unterschiedliche Weise auf die Energieeffizienz von Rechenzentren aus:

• Nur ausgebildete und qualifizierte Fachkräfte sind in der Lage, Potenziale zur Senkung des Energiebedarfs von Rechenzentren zu identifizieren und geeignete Maßnahmen einzuleiten, die möglichen Einsparungen auch zu realisieren. Auch heute noch werden oft selbst die einfachsten Regeln für den energieeffizienten Betrieb von Rechenzentren wie Kalt-/Warmgangeinhausung oder eine Abdichtung von unbelegten Höheneinheiten im Rack nicht beachtet. Für komplexere Optimierungsaufgaben im Bereich des RZ-Managements sind auf jeden Fall hochqualifizierte Fachkräfte erforderlich.
• Die Verfügbarkeit der Rechenzentren genießt zu Recht die höchste Priorität beim Rechenzentrumsbetrieb. Verfügbares Fachpersonal wird daher vor allem eingesetzt, um die Ausfallsicherheit der Rechenzentren sicherzustellen. Maßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz fallen daher oft dem Mangel an verfügbaren Personalkapazitäten zum Opfer. Und das, obwohl sie sich innerhalb von kürzester Zeit amortisieren würden.
• Vor allem IT-Dienstleister bauen ihre Rechenzentrumskapazitäten zurzeit deutlich aus (siehe Blog-Beitrag von NeRZ). Daher werden die vorhandenen Fachkräfte beim Neubau- oder der Erweiterung der Rechenzentren gebunden. Für die Modernisierung älterer und oft sehr ineffizienter Anlagen bleiben keine Ressourcen übrig.

Weitere Informationen zum Thema Energieeffizienz in Rechenzentren: www.ne-rz.de