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Weiterentwicklungen des PUE

pPUE: Beim „partial PUE“ [Azevedo u.a., 2011b] wird nicht der Gesamtverbrauch, sondern nur ein Teil des Verbrauches eines Rechenzentrums berücksichtigt (darum „Partial“). Beispielsweise wird dem IT-Verbrauch nur die Gebäudekühlung oder nur die einer bestimmten Abteilung im Unternehmen zuzurechnende Infrastruktur gegenübergestellt. Der pPUE hat in bestimmten Situationen eine höhere Aussagekraft als der allgemeine PUE und ermöglicht eine zielgerichtetere Optimierung.

ERE: Die „Energy Reuse Effectiveness“ [Azevedo u.a., 2011b] soll die Tatsache berücksichtigen, dass es in der Berechnung des PUE nicht erlaubt ist, die zurückgewonnene Energie zu berücksichtigen, das heißt ein PUE kann niemals kleiner als eins sein. Wenn zum Beispiel die Abwärme eines Rechenzentrums über Wärmerückgewinnung zur Beheizung des Bürogebäudes verwendet wird, darf diese Energie vom Gesamtverbrauch nicht abgezogen werden, sondern muss als ERE ausgewiesen werden. Diese ist deshalb definiert als:
ERE=(Gesamtenergieverbrauch−rückgewonnene Energie)/IT−Verbrauch

DCcE: Die „Data Center compute Efficiency“ [Azevedo u.a., 2011b] berechnet sich aus dem Durchschnitt der „Server compute Efficiency“ (ScE) aller im Rechenzentrum betriebenen Server und ist ein Maß der „nützlichen“ Arbeit, die in einem Rechenzentrum verrichtet wird. Dabei berechnet sich die ScE wiederum aus dem Grad der von jedem einzelnen Server geleisteten „nützlichen“ Arbeit, welche sich definitionsgemäß aus dem Anteil der primären Services an der Gesamtauslastung des Servers berechnet. Diese primären Services beinhalten jene Aufgaben, für die der Server in Betrieb genommen wurde und nicht sekundäre und tertiäre Dienste wie Virenscanning, Backup, Defragmentierung und ähnliches.

WUE, CUE: Die beiden Maße „Carbon Usage Effectiveness“ (CUE) und „Water Usage Effectiveness“ (WUE) sind Weiterentwicklungen des PUE, welche nicht auf die Effizienz der eingesetzten (elektrischen) Energie abzielen, sondern die Effizienz der Nutzung der Ressource Wasser (WUE) und die Effizienz in der Erzeugung von Emissionen (eine hohe Effizienz entspricht hier natürlich geringen Emissionen!) darstellen [Azevedo u.a., 2011a].

GPUE: Die primäre Motivation für dieses Maß ist es, der Instrumentalisierung des PUE für „Greenwashing“ durch die Marketingabteilungen mancher Unternehmen entgegenzuwirken. Die „Green Power Usage Effectiveness“ versucht, die Art der zum Betrieb eines Datacenters verwendeten Energie in ein Effizienzmaß einfließen zu lassen, das heißt der PUE wird anhand der durch die Energieerzeugung verursachten Emissionen gewichtet [Hrafnsson, 2012]. So wird beispielsweise Energie aus Kohlekraftwerken mit einem Faktor 1,05 gewichtet, Energie als Wasserkraft hingegen mit 0,013.
Für die Gewichtung der Energiearten wird dabei eine Studie herangezogen, in der der Anteil der Emissionen an der aus einer gegebenen Energiequelle erzeugten Energie geschätzt wird, und zwar über den gesamten Lebenszyklus dieser Energiequelle hinweg [Sovacool, 2008].

EUE: Die „Energy Usage Effectiveness“ wurde von der „United States Environmental Protection Agency“ (EPA) vorgeschlagen und ist in ihrer Berechnung dem PUE sehr ähnlich. Sie berechnet sich als
EUE=Total Energy/UPS Energy
wobei sich „Total Energy“ nicht auf elektrische Energie beschränkt, sondern alle Energiearten, die zum Betrieb eines Rechenzentrums benötigt werden, einschließt, und „UPS Energy“ der von der IT verbrauchten Energie entspricht.

PUE und DCiE

Die „Power Usage Effectiveness“ (PUE) und die „Data center infrastructure efficiency“ (DCiE) sind die gebräuchlichsten Messwerte zur Berechnung der Energieeffizienz von Rechenzentren. Beide setzen den Gesamtenergieverbrauch eines Rechenzentrums mit dem Verbrauch der IT-Komponenten in Beziehung. Der PUE-Wert berechnet sich als:

PUE = Gesamtenergieverbrauch / IT−Verbrauch

Der DCiE-Wert ist definiert als der Kehrwert vom PUE also:

DCiE = IT Equipment Power / Total Facility Power

PUE-Werte kleiner als 1,5 (DCiE ca. 70%) gelten als sehr effizient, PUE-Werte größer als 2 (DCiE 50%) gelten als ineffizient.

Der PUE, der ursprünglich vom „Green Grid“ (http://www.thegreengrid.org/) initiiert wurde, hat sich rasch als relativ einfache Maßzahl etabliert, er ist aber durchaus auch Gegenstand von Kritik: Das Ergebnis der Berechnung des PUE hängt stark von der Art der Messung ab, welche von Rechenzentrum zu Rechenzentrum sehr unterschiedlich sein kann. So ist das Ergebnis der PUE-Messung zum Beispiel abhängig davon, was alles in den Gesamtverbrauch eingerechnet wird, insbesondere dann, wenn sich beispielsweise die Kosten für die Infrastruktur eines Rechenzentrumsbetriebes nicht klar vom Rest des Betriebes trennen lassen.

Der PUE-Wert eignet sich daher primär nicht dazu, die Energieeffizienz verschiedener Rechenzentren miteinander zu vergleichen. Er eignet sich aber sehr wohl zum kontinuierlichen Verfolgen der Effizienz eines Rechenzentrums und zur Dokumentation des Fortschritts – insbesondere dann, wenn die jeweiligen Messungen unter gleichen Bedingungen erfolgen.

Wird der PUE-Wert zum Vergleich der Effizienz von Rechenzentren herangezogen, besteht die Gefahr des „Greenwashing“, das heisst des „Schönrechnens“ des PUE-Wertes. Immerhin werben Firmen inzwischen gerne mit besonders niedrigen PUEs (z.B. Google, Microsoft, etc.), und PUE-Werte werden aus Imagegründen publiziert um das „grüne“ Image des jeweiligen Unternehmens aufzupolieren.

Um deser Kritik zu begegnen gibt es Bestrebungen die Berechnung des PUEs zu standardisieren. Zum Beispiel gibt es eine von einem Konsortium aus GreenGrid, ASHRAE, EnergyStar, Uptime Institute und anderen verfasste Empfehlung über die Messung und Veröffentlichung des PUEs [Mathew, 2011], aber wie weit diese schon in die Praxis eingeflossen ist, ist dem Autor nicht bekannt. Abgesehen davon gibt es die Möglichkeit, die eigenen Messergebnisse beim Green Grid einzureichen und diese zertifizieren zu lassen. Das hat den Vorteil, dass die mit einem Green-Grid Zertifikat veröffentlichten PUEs eine höhere Glaubwürdigkeit haben.

Hardwarelebenszyklus – Entsorgung

Elektronikschrott oder „E-Waste“ macht ungefähr 5% des Müllaufkommens in den USA aus – und das bei einer jährlichen Steigerungsrate von 3 bis 5 Prozent. Weltweit fielen im Jahr 2006 ca. acht Milliarden Kilogramm Elektronikschrott an, von welchem nur 2% beziehungsweise 161 Millionen Kilogramm wiederverwertet wurde. IT-Komponenten enthalten viele gesundheitsschädliche Substanzen (beispielsweise Brom, Cadmium, Blei, PCB), welche bei nicht ordnungsgemäßer Entsorgung in die Umwelt gelangen. Dementsprechend sind Computer und IT-Komponenten für 40% des Bleis und 70% der Schwermetalle (z.B. Cadmium, Quecksilber) im Müll verantwortlich [Hobby u. a., 2009].

Hier sei auch die Problematik des illegalen Müllexports aus den Industriestaaten in Entwicklungs- und Schwellenländer genannt. Beispielsweise exportieren allein die USA 80% ihres Elektronikschrotts nach China. Durch die stetig steigenden Mengen an diesen problematischen Abfällen der Industriestaaten haben sich mittlerweile globale „Recyclingzentren“ entwickelt, wie beispielsweise manche Landstriche Westafrikas (Z.B. in Nigeria) oder das Gebiet um Guiyu, dem größten Recyclinggebiet dieser Art in China [Ansari u. a., 2010]. Hier werden Altgeräte oft auf primitivste Art und Weise wiederverwertet, um an die vermarktbaren Rohstoffe zu gelangen. Diese Praxis führt zu massiver Umweltverschmutzung und auch Gesundheitsproblemen bei der örtlichen Bevölkerung, da die im Elektronikschrott enthaltenen oft hoch toxischen Inhaltsstoffe ungehindert freigesetzt werden [Tedre u. a., 2009].

Da diese Problematik des Exports gefährlicher Abfälle von den reicheren zu den ärmeren Staaten natürlich nicht nur auf IT-Komponenten beschränkt ist, gibt es schon seit 1994 mit der „Basler Konvention“ ein internationales Vertragswerk, das diese Praxis in den Ländern, die die Konvention ratifiziert haben, illegal macht. In den USA gibt es darüber hinaus das sogenannte „Basel Action Network“, eine Organisation, die sich der Öffentlichkeitsarbeit in diesen Belangen verschrieben hat.

In der Europäischen Union ist für 2014 eine Erweiterung zur WEEE-Direktive (Waste Electrical and Electronic Equipment) geplant, welche den Anteil des einer Wiederverwertung zugeführten Elektronikschrotts nach und nach auf 65% anheben soll – zur Zeit liegt der Wert in der EU bei ungefähr einem Drittel. Außerdem soll der illegale Müllexport stärker als bisher kontrolliert werden [BBC, 2012].

Eine Verringerung der Menge an Elekronikschrott wäre natürlich durch die Verlängerung der Nutzungsdauer (Stichwort „Obszoleszenz“) und eine Erhöhung der Recyclingrate zu ermöglichen. In Zeiten der Verknappung von Rohstoffen (beispielsweise der seltenen Erden) wird gerade zweiteres auch wirtschaftlich immer sinnvoller: es gibt inzwischen eine Anzahl von Firmen, welche sich dem Recycling von E-Waste verschrieben haben. Die Rückgewinnung von Rohstoffen aus den Abfallprodukten der IT-Industrie hat eine Reihe positiver Auswirkungen: die Rohstoffe müssen nicht abgebaut werden – wodurch Schädigungen der Flora und Fauna in den Abbaugebieten vermieden werden – es ist nicht die energetisch aufwändige Verarbeitung von Erzen notwendig und schließlich landet der Müll nicht auf Deponien, wodurch die enthaltenen Giftstoffe keine Möglichkeit haben in die Umwelt zu gelangen [Greiner, 2008].

In diesem Zusammenhang sei auch auf das „Cradle To Cradle“-Konzept verwiesen, welches biologische und technische Nährstoffkreisläufe zur Erreichung abfallfreier Produktionsprozesse propagiert [McDonough und Braungart, 2002].

Der Beitrag der IT – Nachhaltigkeit

Eine ganzheitliche Green IT ist sicher nicht vollständig ohne die Betrachtung des Beitrages, den die IT zur Erhöhung der Nachhaltigkeit unserer Wirtschaft leisten kann. In Erweiterung des Begriffes Green IT kann man hierbei auch von „Green through IT“ sprechen [Uhl und Hanslik, 2012]. Im Folgenden sind beispielhaft einige Einsatzgebiete angeführt, wo durch den Einsatz von IT-Systemen Ressourcen (und auch Treibhausgase) eingespart werden können:

  • Optimierung von Verkehrswegen: Dies ist eines der im Alltag wohl am meisten verbreiteten Beispiele, wo IT einen wertvollen Beitrag zur Einsparung von Ressourcen leistet. Beinahe jeder Autofahrer besitzt heute ein Navigationsgerät, welches nicht nur den schnellsten/kürzesten Weg zum Ziel weist, sondern oft auch Informationen über Staus oder andere Verkehrshindernisse in die Routenwahl einfließen lässt. Dies führt natürlich nicht nur zu einer kürzeren Fahrtzeit, sondern auch zu einer Verminderung des Treibstoffverbrauches.
  • Verkehrsvermeidung: Durch den entsprechenden Einsatz von IT kann Verkehr vermindert oder auch gänzlich vermieden werden. Beispiele dazu wären etwa e-Commerce Systeme, welche es für die Kunden unnötig machen, den Weg zu einem Lieferanten auf sich zu nehmen.
    Im betrieblichen Umfeld sind die Möglichkeiten von Telekonferenzen und Teleworking zu nennen, welche einerseits dazu beitragen können, den Aufwand für Dienstreisen zu reduzieren, oder andererseits überhaupt den täglichen Weg zur Arbeit (zumindest teilweise) unnötig machen können.
  • Gebäudeautomatisierung („Smart Buildings“): Abgesehen davon, dass die IT-Systeme in Gebäuden durchaus als Energielieferanten dienen können (Stichwort „Abwärme“), kann die automatische Steuerung von Gebäudeklimatisierung, Beleuchtung, Heizung, etc. einen wertvollen Beitrag zur Verminderung des Energieverbrauches liefern.
  • Smart Grids: nicht nur die Energieeffizienz eines Unternehmens kann durch die IT erheblich verbessert werden, die IT ermöglicht auch Einflussnahme auf die Energieeffektivität im Sinne des Verwendens der „richtigen“ Energie [Uhl und Hanslik, 2012]. Eine „intelligente“ Energieversorgung ermöglicht also beispielsweise die bewusste Wahl zwischen fossiler und regenerativer Energie und eine bessere Abstimmung von Angebot und Nachfrage von aus regenerativen Quellen erzeugter Elektrizität [SAP, 2011].

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Ganzheitliche Green IT

Laut Paul R. Ehrlich kann der negative Einfluss der Menschheit auf die Umwelt mit der einfachen konzeptionellen Formel
I = P * A * T
angenähert werden, wobei sich dieser Einfluss (Impact) hier aus der Multiplikation der Faktoren Population, dem Konsum pro Individuum (Affluence) und der Technologie, die den Konsum ermöglicht und antreibt, ergibt [Ehrlich und Ehrlich, 2008]. Der Einfluss der Technologie wird in dieser Gleichung also auch als bestimmender Faktor für die Auswirkungen der Zivilisation auf die Umwelt angesehen. Da sich die Informationstechnologie ihrerseits als eine der hauptsächlichen technologischen Errungenschaften der letzten Jahrzehnte erwiesen hat, wird damit auch die Verantwortung, welche die IT für die Minimierung der negativen Einflüsse auf unseren Lebensraum hat, unterstrichen.

Diese Minimierung des zivilisatorischen Fußabdruckes muss in letzter Konsequenz zu einer wirtschaftlichen und technologischen Nachhaltigkeit der Gesellschaft führen. Green IT ist somit als das ganzheitliche Streben nach Nachhaltigkeit in der Informationstechnologie und darüber hinaus zu sehen. Im Unternehmenskontext heißt das, dass ganzheitlich gedachte Green IT zur Nachhaltigkeit des gesamten Unternehmens beiträgt, wobei der Begriff Nachhaltigkeit sowohl unter seinem ökonomischen, ökologischen und sozialen Aspekt zu verstehen ist.

Ganzheitliche Green IT beschränkt sich nach dieser Definition also nicht nur auf die Senkung des Energieverbrauches von Rechenzentren. Die spezifischen Herausforderungen, die beim Betrieb goßer Data Center auftreten, führten aber natürlich dazu, dass man sich hier schon früher mit Green IT zu beschäftigen begann, als in anderen Bereichen. So hat sich zwar das Verhältnis von Instruktionen pro Sekunde und Watt in den vergangenen 30 Jahren um einen Faktor von 28,5 erhöht [Capra u. a., 2012], trotzdem ist die Energiedichte in Rechenzentren aber stetig gestiegen, und zwar einerseits durch die erhöhte Leistungsaufnahme der Server und andererseits durch die Anzahl der Server pro Raumeinheit. Das hatte zur Folge, dass auch der energetische Aufwand zur Entsorgung der entstehenden Abwärme immer größer wurde [Wang, 2008a]. Die Notwendigkeit, die dadurch stetig steigenden Energiekosten in den Griff zu bekommen, führte zur Beschäftigung mit Möglichkeiten, die Kühlung effizienter zu gestalten, den Energieverbrauch der Server zu optimieren und die Auslastung der Server zu erhöhen.

Man kann also durchaus sagen, dass grosse Data Center für die Green IT eine Vorreiterrolle spielen, dass sich aber eine ganzheitlich gedachte Green IT nicht auf dieses Feld beschränken kann. Eine holistische Betrachtung und Optimierung des Energie- und Ressourcenverbrauches ist notwendig, denn eine lokale Betrachtung des Systems führt immer nur zu einer lokalen Verbesserung des Gesamtzustandes [Ranganathan und Chang, 2011].