SI/502932

Schlussbericht

Aus Nachhaltigkeitsperspektive bringt das Wachstum von Rechenzentren (RZ) verschiedene Herausforderungen, aber auch einige Chancen mit sich. Dieser Bericht beleuchtet diese Dimensionen aus der Perspektive der Kreislaufwirtschaft und zeigt bestehende Synergien und Zielkonflikte auf. Beim Energieverbrauch weist die weit verbreitete PUE-Kennzahl grundlegende Schwächen auf: Als relative Grösse sagt sie nichts über den Gesamtenergieverbrauch aus. Da sie Kühlung und Stromversorgung gemeinsam erfasst, ist sie zu grob. Zudem ist sie verzerrt: Aufgrund unzureichend feiner Messungen werden sowohl der Verbrauch der Serverlüfter als auch die Umwandlungsverluste der Netzteile (PSUs) der IT-Energie statt der Nicht-IT-Energie zugerechnet. Die PUE misst nicht Recheneffizienz, sondern die Effizienz der Infrastruktur. Letztere hat bereits sehr gute Werte erreicht; weitere Fortschritte werden wohl nur noch schrittweise erfolgen. Der Energiebedarf für Rechenleistung hingegen explodiert. Deshalb braucht es – trotz aller Herausforderungen – einen Indikator der Recheneffizienz über heterogene Rechenlasten hinweg. Angesichts steigender Leistungsdichten verschiebt sich die Stromversorgung von Wechsel- zu Gleichstrom und zu höheren Spannungen – eine gute Gelegenheit, neue Metriken zu definieren: i) Recheneffizienz, ii) Umwandlungseffizienz und iii) Kühlaufwand. Die letzteren zwei trennt Umwandlungsverluste von dem Kühlaufwand und sollten umfassend definiert sein (PSU-Umwandlungen und Lüfter enthaltend). Der lokale Wasserverbrauch im RZ hängt von den eingesetzten Kühltechnologien ab. Wasserseitige Economiser und über Kühltürme wassergekühlte Kältemaschinen verbrauchen viel Wasser, Trockenkühler, luftgekühlte Kältemaschinen und luftseitige Economiser hingegen nicht – wobei letztere oft adiabatisch unterstützt werden und damit zumindest zeitweise ebenfalls Wasser benötigen. Der vorgelagerte Wasserverbrauch entsteht hauptsächlich durch die Stromerzeugung , insbesondere durch Verdunstung aus den Stauseen der Wasserkraftwerke. Zwischen Energie- und Wasserverbrauch für die Kühlung sowie zwischen lokalem und vorgelagertem Wasserverbrauch bestehen Zielkonflikte. Wasserintensive Kühltechniken senken in der Regel den Energiebedarf und damit auch den vorgelagerten Wasserverbrauch. Bei sehr wasserintensivem Strom besteht wenig Konkurrenz, und es lohnt sich meist, vor Ort etwas mehr Wasser einzusetzen, um Strom und den damit verbundenen vorgelagerten Wasserverbrauch zu sparen. Bei wasserarmem Strom besteht dagegen ein echter Zielkonflikt. Energiekreisläufe lassen sich durch Abwärmenutzung schliessen. Dabei besteht ein Zielkonflikt zwischen hoher Wärmenutzung (Nähe zu Siedlungen) und niedrigem Energieverbrauch (hohe Breitengrade). Eine sinnvollere Kennzahl würde die durch Wärmerückgewinnung vermiedene Energie abbilden statt der zurückgewonnenen Menge. Die Produktionsauswirkungen der Mikroelektronik sind wenig erforscht. Von den drei Produktionsphasen – Bergbau, Raffination und Fertigung – ist die mineralische Raffination in Bezug auf Nachhaltigkeit am wenigsten verstanden. Längere Nutzungsdauern sind stets vorteilhaft. Materialkreisläufe lassen sich durch Anwendung allgemeiner Kreislaufprinzipien wie der 9R-Prinzipien auf RZ erschliessen. Massnahmen gibt es sowohl für das RZ selbst als auch – deutlich wichtiger – für die darin eingesetzte Mikroelektronik. Mögliche Massnahmen betreffen Produktdesign, Prozessgestaltung, Geschäftsmodelle und Materialeinsatz und wirken auf allen Kreislaufebenen. Die Beziehung zwischen RZ und Stromnetz ist komplex und vielschichtig. Moderne RZ verfügen über drei entscheidende und neue Eigenschaften, die das Netz vor zusätzliche Herausforderungen stellen: grosse und konzentrierte Lasten sowie steile Lastrampen. Um diese zu mindern, kommen verschiedene Massnahmen zum Einsatz, besonders Lastverschiebung, Batteriespeicher und Erzeugung vor Ort. Diese Massnahmen haben wiederum weitere Folgen – positive wie negative. Sie können dem Netz Flexibilität bringen und Innovationen im Energiebereich fördern. Zugleich verursachen sie Lärm, Verschmutzung und Treibhausgase und konkurrieren mit dem Energiesektor um wichtige Ressourcen.