Was bedeutet CUE (Carbon Usage Effectiveness) für Rechenzentren?

Das schnelle Wachstum der digitalen Transformation in verschiedenen Branchen, gepaart mit der weit verbreiteten Anwendung neuer Technologien wie 5G, künstlicher Intelligenz und dem Internet der Dinge, hat zu viel mehr Daten in der Gesellschaft geführt. Rechenzentren, die als digitale Basis für die Funktionsweise von Informationssystemen in verschiedenen Branchen dienen, sind zu unverzichtbaren kritischen Infrastrukturen in der wirtschaftlichen und sozialen Landschaft geworden und spielen eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung der digitalen Wirtschaft. Allerdings verbrauchen Rechenzentren viel Energie und verursachen viele Emissionen. Um dem entgegenzuwirken, brauchen wir gute Maßnahmen zur Reduzierung der Emissionen und prüfen, wie nachhaltig sie sind. Hier kommt die Metrik „Carbon Usage Effectiveness“ (CUE) ins Spiel.

Das grüne Gitterführte 2010 die Metrik „Carbon Usage Effectiveness“ (CUE) ein, um die Treibhausgasemissionen (THG) pro Einheit des IT-Energieverbrauchs in Rechenzentren zu ermitteln. Es ist Teil von ISO/IEC 30134-8 zur Bewertung der Nachhaltigkeit von Rechenzentren im Hinblick auf CO2-Emissionen geworden. CUE ist analog zur Kohlenstoffintensität, wobei sowohl Scope-1- als auch Scope-2-Emissionen berücksichtigt werden, jedoch geteilt durch die IT-Auslastung, ähnlich der Power Usage Effectiveness (PUE). Die Metrik bietet eine effektive Möglichkeit, den CO2-Fußabdruck von Rechenzentren zu messen und ihre Nachhaltigkeit in Bezug auf CO2-Emissionen zu bewerten.

Um den CUE-Wert bei der Nutzung von Netzstrom zu berechnen, können die CO2-Emissionen auf den für die jeweilige Region veröffentlichten Regierungsdaten basieren. Bei der Nutzung von vor Ort erzeugtem Strom sollten idealerweise tatsächliche Emissionsdaten lokaler Zähler verwendet werden. Es ist jedoch auch möglich, für Berechnungen Emissions- und Kraftstoffquellendaten des Generatorherstellers zu verwenden.

Zur Berechnung des CUE lautet die Formel wie folgt.

Ein niedrigeres CUE-Verhältnis bedeutet einen geringeren CO2-Fußabdruck, was auf eine höhere Effizienz der CO2-Nutzung in Rechenzentren hinweist. Der ideale CUE-Wert beträgt {{0}}.0, was bedeutet, dass während des Rechenzentrumsbetriebs keine CO2-Emissionen entstehen.

Es ist wichtig zu beachten, dass CUE je nach den Energiequellen, auf die Rechenzentren angewiesen sind, erheblich variiert. Rechenzentren, die mit erneuerbaren Energiequellen betrieben werden, weisen im Allgemeinen selbst bei gleichem PUE einen niedrigeren CUE auf als solche, die auf fossilen Brennstoffen basieren.

Im Jahr 2021 führte China in seinem Regierungsarbeitsbericht die Konzepte „Carbon Peaking“ und „Carbon Neutrality“ ein. Ziel des Carbon Peaking ist es, bis 2030 ein Plateau der Kohlendioxidemissionen zu erreichen, das nach Erreichen seines Höhepunkts allmählich abnimmt. Bei der CO2-Neutralität geht es darum, das im Produktionsprozess entstehende Kohlendioxid durch Maßnahmen wie Aufforstung und Energieeinsparung auszugleichen und so „Null-Emissionen“ von Kohlendioxid zu erreichen. Im Einklang mit den weltweiten Bemühungen zur Bekämpfung des Klimawandels und Chinas „Double-Carbon“-Strategie verbessert die Rechenzentrumsbranche kontinuierlich die Energieeffizienz, erhöht den Einsatz erneuerbarer Energien und strebt danach, so schnell wie möglich CO2-Neutralität zu erreichen.

Mit zunehmender Reife der Flüssigkeitskühlungstechnologien werden in Rechenzentren zunehmend verschiedene Flüssigkeitskühlungsmethoden wie Tauchkühlung, Kaltplatten-Flüssigkeitskühlung und Sprühflüssigkeitskühlung eingesetzt. Über die Flüssigkeitskühlung hinaus haben sich die Methoden der Rechenzentrumskühlung in den letzten Jahren diversifiziert. Neue Kühlmethoden wie indirekte Verdunstungskühlung und Magnetschwebekühler bieten neue Möglichkeiten. Die Kombination mehrerer Kühlmethoden ist in Rechenzentren mittlerweile üblich.

Die Effizienz von unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV) ist auch zu einem wichtigen Markt für Anbieter von Stromverteilungen in Rechenzentren geworden. Als Standard gelten hocheffiziente USVs mit einem Wirkungsgrad von über 97 %. Modulare USVs bei niedrigen Lastraten haben die Hochspannungs-Gleichstrom-Stromversorgung hinsichtlich der Effizienz von Rechenzentren übertroffen, was darauf hinweist, dass Hochfrequenz-USVs das Potenzial haben, eine der optimalen Lösungen für Energieeffizienz in der Stromverteilung von Rechenzentren zu werden.

Gleichzeitig ist die unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Technologie auch zu einem bedeutenden Markt geworden, auf dem Anbieter von Stromverteilungen für Rechenzentren konkurrieren. Große nationale und internationale Akteure der Energieverteilungsbranche wie Huawei, Vertiv, Kehua, ABB und Schneider verfügen über entsprechende Produktlayouts in diesem Bereich. Das Erreichen eines Wirkungsgrades von mehr als 97 % gilt heute in der High-End-USV-Branche als „Grundvoraussetzung“. Es ist erwähnenswert, dass bei niedrigen Lastraten die Effizienz des Rechenzentrums mit modularen USV-Systemen die der Hochspannungs-Gleichstromversorgung übersteigt. Nach Ansicht des Autors dürften Hochfrequenz-USV angesichts der Trends in der technologischen Entwicklung zu einer der optimalen Lösungen zur Reduzierung des Energieverbrauchs und zur Steigerung der Effizienz bei der Stromverteilung in Rechenzentren werden.

Beim Betrieb von Rechenzentren erzeugen IT-Geräte eine erhebliche Menge überschüssiger Wärme. Der Einsatz der Wärmepumpentechnologie zur Rückgewinnung und Wiederverwendung dieser überschüssigen Wärme hat in Rechenzentren viele Anwendungen gefunden und ist vielversprechend für die Zukunft. Grobe Schätzungen gehen davon aus, dass die gesamte rückgewinnbare Überschusswärme in Rechenzentren in der nördlichen Region Chinas etwa 10 GW beträgt und theoretisch die Beheizung von rund 300 Millionen Quadratmetern Gebäuden unterstützt. Zahlreiche Rechenzentren in China, darunter das Qindao Lake Data Center von Alibaba, das Tianjin Data Center von Tencent, die Chongqing Cloud Computing Base von China Telecom, das Beijing Data Center 3 von Wanguo Data und das Wulanchabu Cloud Computing Center von UCloud, haben bereits Wärmerückgewinnungstechnologie implementiert, die beide mit Wärme versorgt die internen und umliegenden Bereiche der Rechenzentren.

Wie bereits erwähnt, macht die Kühlung von Rechenzentren über 20 % des gesamten Energieverbrauchs aus. Der Einsatz von Rechenzentren unter Wasser, bei dem die Temperatur des Meerwassers zur Ableitung der vom Rechenzentrum erzeugten Wärme genutzt wird, könnte den Energieverbrauch erheblich senken und zur Optimierung verschiedener Indikatoren im Rechenzentrumsbetrieb beitragen.

In China führte HIGHLANDER als erster das Konzept der Unterwasser-Datenzentren (UDC) ein und identifizierte drei Hauptvorteile von Unterwasser-Datenzentren:

Erstens eliminiert UDC, da es sich unter Wasser befindet und mit Inertgas gefüllt ist, die Brandgefahr.

Zweitens bleibt UDC an seinem Standort unter Wasser diskret, was eine präzise externe Lokalisierung unmöglich macht.

Drittens trägt die kontinuierliche 24-stündige Überwachung von UDC dazu bei, potenzielle Schäden und Infiltrationen des Rechenzentrums effektiv zu verhindern.

Unterwasser-Rechenzentren bieten einzigartige Vorteile sowohl hinsichtlich der Energieeinsparung als auch der Sicherheit. Sie werden jedoch stark von geografischen Faktoren beeinflusst, so dass für den Bau die Nähe zum Meer erforderlich ist. Beim aktuellen Stand der Netzwerkinfrastruktur ist der Autor der Ansicht, dass Unterwasser-Rechenzentren vor allem für die Berechnung heißer Daten, die Speicherung warm-kalter Daten und die Bedienung von Benutzern mit Anforderungen an niedrige Latenzzeiten geeignet sind, beispielsweise solche, die sich insbesondere mit maschinellem Lernen und Video-Rendering befassen in Küstenstädten.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein vielfältiger Plan erforderlich ist, um die Auswirkungen von Rechenzentren auf die Umwelt zu verringern. Der Einsatz energieeffizienter Geräte, erneuerbarer Energiequellen und die Verbesserung der Ressourcennutzung sind entscheidende Strategien. Durch den Einsatz dieser Lösungen können Rechenzentren ihren Energieverbrauch erheblich senken, ihre Betriebsabläufe verbessern und zeigen, dass sie sich der Nachhaltigkeit verschrieben haben. Da der Umweltverantwortung immer mehr Aufmerksamkeit gewidmet wird und die Energiekosten steigen, ist die Reduzierung der Umweltauswirkungen von Rechenzentren nicht länger eine Wahl, sondern ein Muss. Durch einen umfassenden Nachhaltigkeitsansatz können Rechenzentren wirtschaftliche und ökologische Vorteile erzielen und als Vorbild für andere Branchen dienen.