Modul 2 Monitoring des Energieverbrauchs und Kostenanalyse

1. Modul 2Monitoring des Energieverbrauchs und Kostenanalyse Version 1.022. September 2011

2. Monitoring und Analyse in IT-Systemen und Serverräumen – allgemeine Aspekte Analyse der Energieeffizienz Analyse der Energiekosten und Einsparungen

3. Monitoring des Energieverbrauchs in IT-Systemen, Serverräumen und Rechenzentren • Analyse der Energieeffizienz • Ein Monitoringsystem sollte vor der Verwendung gut durchdacht werden; • Die gesammelten Daten werden dann am nützlichsten zur Beurteilung der Betriebsleistung und Entscheidungsfindung sein, wenn das Messziel daraus besteht, die "richtigen Daten" statt einfach "mehr Daten" zu bekommen; • Nach der Datenaufnahme sollten darauf aufbauende Maßnahmen durchgeführt werden, während die Datenerhebung zur Überprüfung der Effektivität der eingeleiteten Verbesserungen weitergehen sollte; • Durch das Erstellen einer Messbasis zum Energieverbrauch, sind die Manager in der Lage, einen Energieplan aufzustellen, der kosteneffizient und wirkungsvoll die Einsparpotenziale erschließt.

4. Monitoring des Energieverbrauchs in IT-Systemen, Serverräumen und Rechenzentren • Analyse der Energiekosten und der Einsparungen • Die Sammlung von energiebezogenen Daten hilft, die Energielast der Anwendungen im Rechenzentrum zu quantifizieren: • unterstreicht die Bedeutung von Verbesserungen der Energieeffizienz; • erleichtert die richtige Dimensionierung der Ausstattung entsprechend zur Energielast. • und durch spezielle Effizienzsteigerungen hervorgerufene Energieeinsparungen zu prüfen und zu evaluieren; • Konkrete Einsparungen zu beobachten kann zudem die Rechenzentrumsbetreiber dazu animieren, weitere Effizienzmaßnahmen durchzuführen.

5. Analyse der Energiekosten und -einsparungen • Monitoringsysteme sind erforderlich, um Daten an verschiedenen Stellen der Infrastruktur zu erheben. Doch ohne die richtige Software bzw. die richtigen Tools, mit denen die Daten ausgewertet werden, sind diese Daten nicht brauchbar. Sie werden jedoch von den Managern benötigt, um zu entscheiden, welche Maßnahmen zur Reduzierung des Energieverbrauchs durchgeführt werden sollen. • Es sind mehrere Tools verfügbar, als Beispiel wird hier die kostenlose DC Pro Software Tool Suite (DC Pro) vorgestellt, die von vom "Save-Energy-Now-Programm" des US-Energieministeriums entwickelt wurde; • Die Tools von "DC Pro" beinhalten einen Beurteilungsvorgang und helfen bei Leistungsvergleichen, gleichzeitig werden die Leistungsentwicklung verfolgt und Empfehlungen geliefert; • Die Tools stehen auf folgender Internetseite kostenlos zur Verfügung: http://www1.eere.energy.gov/industry/datacenters/software.html

6. Analyse der Energiekosten und -einsparungen • Das "DC Profiling Tool" ist ein web-basiertes Programm, das Basisinformationen wie Betriebskosten und eine grobe Beschreibung des Rechenzentrums verwendet, um ein Profil von dessen Energiebedarf zu erstellen. Muster "DC Pro Profiler Tool" Output für ein Rechenzentrum (Quelle: DOE)

7. Analyse der Energiekosten und -einsparungen • Mit dem Tool für "Elektrische Systeme" lassen sich Einsparpotenziale durch Effizienzsteigerungen in der Stromzufuhr evaluieren. Dazu gehören Transformatoren, Generatoren, die unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) und die Geräte zur Stromverteilung; • Dies ermöglicht den Nutzern, ihre Rechenzentren mit anderen zu vergleichen und entsprechend einzuordnen. Muster “UPS Load Factor Chart” from the “Electrical Systems Tool Sample” (Quelle: DOE)

8. Metrik zur Energieeffizienz in Rechenzentren Power Usage Effectiveness (PUE) Data center infrastructure Efficiency (DciE) Energy Reuse Effectiveness (ERE) Total Cost of Ownership Analisys (TCO)

9. Metrik zur Energieeffizienz in Rechenzentren • Die Verwendung von Metrik ist sehr wichtig: “Wenn man es nicht messen kann, kann man es nicht verbessern.” • Die Verwendung von Metrik kann Managern von Rechenzentren dabei helfen, die Energieeffizienz ihrer bestehenden Systeme besser zu verstehen und zu verbessern. Außerdem hilft es bei der Entscheidungsfindung zu neuen Rechenzentren; • Zudem ermöffnet diese Metrik eine verlässliche Möglichkeit, die Ergebnisse mit denen vergleichbarer IT-Organisationen zu messen; • Auch wenn die PUE meistens die bevorzugte Metrik ist, können mehrere weitere Ansätze in Betracht gezogen werden und werden vorgestellt.

10. Metrik zur Energieeffizienz in Rechenzentren PUE • Energienutzungseffizienz - Power Usage Effectiveness (PUE) • zeigt an, wie effizient ein Rechenzentrum Energie nutzt; • zeigt an, wie viel Energie tatsächlich für die Computerausstattung benötigt wird (in Abgrenzung zur Kühlung und weiteren Posten); • die PUE ist der Quotient aus dem Gesamtenergieverbrauch eines Rechenzentrums und der Leistungsaufnahme der Computerausstattung; • die PUE wurde vom Konsortium „The Green Grid“ entwickelt. Sie ist das Gegenteil der Infrastruktureffizienz des Rechenzentrums (DCiE); • die ideale PUE ist 1,0; • Alles was in einem Rechenzentrum nicht zur Computerausstattung zählt (z. B. Beleuchtung, Kühlung usw.) fällt in die Kategorie des Anlagenenergieverbrauchs.

11. PUE der Google-Rechenzentren PUE-Daten für alle großen Google-Rechenzentren (Quelle: Google)

12. Metrik zur Energieeffizienz in Rechenzentren DC Metrics Task Force Um die Unstimmigkeiten bei der Verwendung der Messgrößen zu klären, haben sich am 13. Januar 2010 verschiedenen Experten getroffen um sich auf Energieeffizienzmaßnahmen, Maßeinheiten und Berichtswesen für Rechenzentren zu einigen U.a. folgende Organisationen waren vertreten: 7x24 Exchange, ASHRAE, The Green Grid, Silicon Valley Leadership Group, U.S. Department of Energy Save Energy Now and Federal Energy Management Programs, U.S. Environmental Protection Agency’s ENERGY STAR Program, U.S. Green Building Council, and Uptime Institute

13. Metrik zur Energieeffizienz in Rechenzentren DC Metrics Task Force Die Runde konnte sich auf folgende grundlegende Prinzipien einigen: Für die Energienutzungseffizienz (PUE) ist der Energieverbrauch die zu bevorzugende Messgröße für Rechenzentren. Für die Berechnung des PUE sollte der IT-Energieverbrauch zumindest an der Leistung der unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) bemessen werden. Gleichzeitig muss die Industrie aktiv die Messtechnologie verbessern und optimieren, damit der Energieverbrauch zukünftig direkt ermittelt werden kann. Für die PUE-Ermittlung im Rechenzentrum sollten alle Energiequellen ab der Übergabestation vom Energieversorger zum Betreiber des Rechenzentrums einbezogen werden. Für gemischt genutzte Rechenzentren sollte die Gesamtenergie den Energiebedarf sowie Kühlung, Beleuchtung und notwendige Infrastruktur umfassen, die für den Betrieb der Datenverarbeitung notwendig sind.

14. Metrik zur Energieeffizienz in Rechenzentren PUE Von der DC Task Force vorgeschlagene Messkategorien für die PUE * Für die PUE-Kategorie 0 sind die Messungen der eletrische Bedarf (kW)

15. Metrik zur Energieeffizienz in Rechenzentren DciE • Data center infrastructure Efficiency (DciE) • Data center infrastructure Efficiency (DCIE) ist eine Messgröße, die für die Feststellung der Energieeffizienz in Rechenzentren genutzt wird • DciE wird als Prozentzahl ermittelt. • Dabei wird der Energieverbrauch der IT-Ausstattung durch den Gesamtenergieverbrauch der Einrichtung (z.B. des Gebäudes) geteilt. • DciE wurde auch vom Konsortium “The Green Grid” entwickelt

16. Metrik zur Energieeffizienz in Rechenzentren PUE und DciE (Quelle: The Green Grid)

17. Energieeffizienz-Metrik für RechenzentrenERE • Energy Reuse Effectiveness (ERE) • Energie aus dem Rechenzenrum kann in anderen Gebäudeteilen oder Prozessen mit positiven Effekten erneut eingesetzt werden. • Für diese Prozesse stehen keine Messgrößen zur Verfügung, die gemessen oder verglichen werden können. • Power Usage Effectiveness (PUE) ist eine Messgröße zur Infrastruktur eines Rechenzentrums, die keine Verwendung von Abwärme oder ähnlichem vorsieht. • Um diese Energiegewinne berücksichtigen zu können, haben das Konsortium “The Green Grid”, LBNL, and NREL eine neue Messgröße vorgeschlagen: Energy Reuse Effectiveness (ERE).

18. Energieeffizienz-Metrik für Rechenzentren ERE (Quelle: The Green Grid) Nutzung von Abwärme in einem nicht vom Rechenzentrum genutzten Raum. PUE und ERE sind beide einsetzbare Messgrößen.

19. Energieeffizienz-Metrik für Rechenzentren ERE – Missbrauch (Quelle: The Green Grid) Nutzung von Abwärme im Rechenzentrum selbst. PUE ist hier die richtige Messgröße.Die Effekte der Absorptionskältemaschine werden beim PUE berücksichtigt.

20. Energieeffizienz-Metrik für Rechenzentren TCO • Total Cost of Ownership Analysis (TCO) • Zur Ermittlung der TCO müssen Amortisationsdauer und andere geschäftspolitische Entscheidungsprozesse sorgfältig anaylsiert werden. • Das Verständnis der Kostenfaktoren der TCO führt zu einer hervorragenden Stellschraube bei der Kostenkontrolle. • Die TCO beinhaltet Kapitalkosten (CAPEX) und Betriebskosten (OPEX). • Die TCO einer IT- und Rechenzentrumsinfrastruktur können wie folgt berechnet werden:

21. Energieeffizienz-Metrik für Rechenzentren TCO-Berechnungstool Rechner für Kapitalkosten im Rechenzentrumhttp://www.apcmedia.com/salestools/WTOL-7AXSAN_R1_EN.swf (Quelle: APC)

22. Energieeffizienz-Metrik für Rechenzentren TCO-Gliederung TCO-Aufteilung in Kategorien für ein typisches Rack in einem hochverfügbaren 2N Rechenzentrum(Quelle: APC)

23. Konzepte für Monitoring und Überwachung Monitoringsysteme Konzepte für Messung und Bewertung auf verschiedenen Systemebenen

24. Monitoring- und Steuerungskonzepte • Bei der Beurteilung von potenziellen Monitoringsystemen sollten folgende Dinge berücksichtigt werden: • Fähigkeit zur Datenerhebung an allen gewünschten Geräten • Detailgenauigkeit (Aufgliederung) der Datenerfassung • Nutzerfreundlichkeit und Intergrationsfähigkeit in bestehende Prozesse • Skalierbarkeit für die Ausdehnung auf weitere Anwendungsfelder • Anpassbarkeit an neue Messnotwendigkeiten • Kontinuität der Datenanalyse • Integrationsfähigkeit mit Kontrollsystemen • Fähigkeit, Probleme zu identifizieren und den Betreiber des Rechenzentrums zu informieren

25. Monitoringsystem • Monitoring der Variablen des IT-Systems (z. B. Leistung und Energieverbrauch) ist unabhängig von der Größe des Systems ein zentraler Bestandteil • Monitoring aller technischen Variablen wie z. B. dem Energieverbrauch der unterschiedlichen Komponenten; dafür müssen passende Instrumente installiert werden (Messtechnik und Sensoren) • Viele Rechenzentren wurden bisher nicht mit elektronischen Messgeräten oder vergleichbaren Monitoringsystemen ausgestattet • Eines der Haupthindernisse zur Verbesserung der Energieeffizienz in Rechenzentren ist die Schwierigkeit, Daten zu erheben, die den individuellen Energieverbrauch von einzelnen Komponenten ausweisen sowie das Ausbleiben der Datenerfassung in vielen Rechenzentren überhaupt

26. Monitoringsystem • Monitoringsysteme nutzen zur Datenerfassung ein vielfältiges Angebot an Sensoren • Im Normalfall nutzen die Systeme einen zentralen Datenpunkt namens “Info Node” sowie weitere individuelle Module (“Data Nodes”), die sich direkt am Messpunkt befinden: Diagramm eines typischen Monitoringsystems (Quelle: LBNL)

27. Monitoringsystem • Bei der Entscheidung, welche Qualität beim Monitoring erreicht werden soll, muss ein Manager folgende Aspekte beachten: • Anschaffungs- und Betriebskosten • Datengenauigkeit • Verwendungsmöglichkeit der erfassten Daten • Drei Herangehensweisen werden vorgeschlagen: • Minimum Practical Monitoring; • Best Practical Monitoring; • State-of-the-Art Monitoring.

28. Monitoringsystem • Minimum Practical Monitoring • Regelmäßige und punktuelle Messungen mit tragbarem Equipment • Datenbeschaffung über den Hersteller der vorhandenen IT-Komponenten (Eingangsleistung etc.) • Bei diesem Ansatz vertraut der Betreiber auf die Datenaufnahme durch die Mitarbeiter und die Auskünfte der Hersteller • Keine Investitionen in die Infrastruktur oder Ausstattung notwendig

29. Monitoringsystem • Best Practical Monitoring • Datenerfassung in Echtzeit unter Nutzung der notwendigen Technik • ggf. Nutzung von entsprechender Software • Langzeiterfassung könnte installiert werden • Die Verlagerung der Datenerfassung auf Mitarbeiter und Hersteller ist geringer als im vorher beschriebenen Ansatz • Begrenzte Erweiterungen der Infrastruktur müssen vorgenommen werden.

30. Monitoringsystem • State-of-the-Art Practical Monitoring • Einbau elektronischer Datenerfassungssysteme (Echtzeit) • Nutzung von Software mit kontinuierlicher Datenanalyse • Anpassung der Infrastruktur ist notwendig • Wahrscheinlich wird ein professioneller Berater beim Einbau des Systems benötigt

31. Monitoringsystem

32. Monitoringsystem • Wie sieht die Dimensionierung des Monitoringsystems aus? • die Auslegung des Systems ist abhängig von der Ausstattung des Rechenzentrums • Kernelement ist die passende Anzahl der “info nodes”, um die notwendigen Informationen zur Analyse des Energieverbrauchs erhalten zu können • Für kleinere Einrichtungen: • das Monitoringsystem kann aus einer oder zwei Datenerfassungsgeräten bestehen • Oder es können auch überhaupt keine Datenerfasser installiert werden, sondern nur manuelle Messungen vorgenommen werden (vgl. minimum practical monitoring).

33. Monitoringsystem • Wie sieht die Dimensionierung des Monitoringsystems aus? • Für größere Einrichtungen: • jede der “info nodes” kann aus dem breiten Angebot von Datenerfassungsgeräten ausgewählt werden: • Luftstrom • Temperatur, Luftfeuchtigkeit • Stromverbrauch • Spannung, Stromstärke • Energieverbrauch etc.

34. Monitoringsystem Schematische Dartstellung einer Stromversorgung in einer gemischt genutzten IT-Einrichtung(Quelle: ASHRAE)

35. Monitoringsystem Datenmesspunkte in einem Rechenzentrum (Quelle: ASHRAE)

36. Monitoringsystem • Nutzung der erfassten Daten • Das richtige Verständnis hinsichtlich der Anwendung eines Datenerfassungssystems ist genauso wichtig wie die Einrichtung des Monitoringsystems und der Datengewinnung an sich. • Mögliche Nutzungsarten der erfassten Daten sind: • Erfassung der gesamten Energieverbräuche • Auswertung des Energieverbrauchs im Zeitverlauf • Verständnis der unmittelbaren Leistungsaufnahme von zentralen Systemkomponenten • Abrechnung • Berechnung von Energieeffizienzklassen

37. Gerätetechnik Messgeräte

38. Messgeräte • Ein Monitoringsystem eines Rechenzentrums basiert auf einer Vielzahl von Messgeräten • Die Messgeräte erfassen Temperatur, Durchflussmenge, Spannung, Stromstärke, Druck, Luftfeuchtigkeit etc. • Außerdem kommen Strom- und Wärmezähler zum Einsatz, die über eine entsprechende Software ausgewertet werden können und aggregierte Informationen von allen eingesetzten Zählern bieten. • Verschiedene Aspekte müssen bei der Auswahl der richtigen Messgeräte berücksichtigt werden: • Messbereich, Genauigkeit sind die wichtigsten Aspekte • Es wird beispielsweise nicht empfohlen, einen Stromzähler für eine 20- kW-Wärmepumpe einzusetzen, der eine Bandbreite von 0 bis 1.000 kW erfassen kann

39. Messgeräte • Die erfassten Daten werden analysiert und Anweisungen an die Aktoren versendet, die z. B. Verbindungen trennen oder Charakteristiken ändern können. • Jeder Zähler verwendet andere Messparameter. • Nicht jede Technologie kann im Weiteren angesprochen werden, nur die gebräuchlichsten und verlässlichten Geräte werden thematisiert. • Alle Geräte werden im Anhang dieser Präsentation erläutert.

40. Im Rechenzentrum zu messende Subsysteme und Schlüsselvariablen

41. Stromversorgung und USV

42. Energieverbrauch in Rechenzentren Stromversorgung im Rechenzentrum Quelle: APC by Schneider Electric, 2010; White Paper #113 rev.2

43. Quellen für Ineffizienz bei Strom und Diensten Aus: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

44. Kaskadeneffekt bei der Energieeffizienz der Stromversorgung Quelle: Liebert white papers

45. Wie man Energieeffizienz einstellt Das “Green Grid” stellt ein Online-Tool zur Verfügung, das den Nutzer befähigt, seine Versorgungskette zu analysieren und die Effizienz von verschiedenen Konfigurationen zu berechnen und zu vergleichen: • http://estimator.thegreengrid.org/pcee

46. Unterbrechnungsfreie Stromversorgung (USV) USV können unterschieden werden durch: • Technnologie: statische USV (keine beweglichen Teile, nur Ventilatoren zur Kühlung; verwendet einen Gleichrichter zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom und einen Wechselrichter für die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom) und rotierende USV (verwendet einen Motor/Generator; normalerweise keine Batterien) • Struktur: Passive standby, Line interactive und Double Conversion • Speichertechnologie: elektrochemische Batterien und rotierend (Schwungrad)

47. USV-Effizienz steht in Verbindung mit der Struktur Quelle: http://hightech.lbl.gov/documents/UPS/Final_UPS_Report.pdf

48. USV in Abhängigkeit von der Last Quelle: APC by Schneider Electric, 2010; White Paper #92 rev.2

49. Mindesteffizienzanforderungen für USV (Wechselstrom) nach dem EnergyStar

50. Gute Praxisbeispiele und Erfahrungen