Wie Rechenzentren zu aktiven Energiesystemen werden

Energieeffizienz und Flexibilität gemeinsam denken

Heute arbeiten die meisten Rechenzentren unabhängig vom aktuellen Energieangebot. Sie sind auf maximale Leistung und Verfügbarkeit ausgelegt und reagieren kaum auf schwankende Strompreise, Netzbelastungen oder die Verfügbarkeit erneuerbarer Energien.

Im »FlexLab« untersuchen wir, wie diese Faktoren zusammenwirken: Rechenzentren sollen zu aktiven Teilnehmern des Energiesystems werden. Sie sollen unmittelbar auf verfügbare Energie reagieren und dadurch sowohl wirtschaftlicher als auch nachhaltiger arbeiten. Ein flexibel betriebenes Rechenzentrum kann Energie genau dann nutzen, wenn sie besonders günstig oder in großer Menge verfügbar ist. Gleichzeitig entstehen neue Möglichkeiten, das Stromnetz zu entlasten und zusätzliche Erlösquellen zu erschließen. Unser Ziel ist es, die vorhandenen Ressourcen möglichst effizient zu nutzen und gleichzeitig neue Potenziale zu erschließen. So können Rechenzentren nicht nur Energie verbrauchen, sondern aktiv zur Stabilisierung von Energiesystemen beitragen.

Dazu gehören beispielsweise:

• die Nutzung dynamischer Strompreise
• die Einbindung lokal erzeugter Energie aus Photovoltaikanlagen
• die Bereitstellung von Flexibilität für Energiemärkte und Netzbetreiber
• die Reduzierung von Lastspitzen im Stromnetz

Auf diese Weise wird Flexibilität zu einem wirtschaftlichen Faktor für zukünftige Rechenzentren.

»FlexLab«: Das Reallabor für die Rechenzentren der Zukunft

Am Fraunhofer ITWM entsteht mit dem »FlexLab« eine praxisnahe Forschungs- und Testumgebung. Dort vernetzen wir bestehende Hochleistungsrechner mit einem Batteriespeichersystem, einer Photovoltaikanlage und einem intelligenten Energiemanagementsystem.

Im »FlexLab« vernetzen wir zwei bestehende Hochleistungsrechner, einen Edge-Knoten, eine Photovoltaikanlage und einen Batteriespeicher zu einem integrierten Gesamtsystem. So können wir unterschiedliche Szenarien für Erzeugung, Verbrauch und Flexibilität realitätsnah untersuchen.

Im Gegensatz zu reinen Simulationsumgebungen testen wir neue Konzepte unter realen Bedingungen. Dadurch können wir nachvollziehen, wie sich unterschiedliche Energie- und Lastszenarien auf den Betrieb moderner Rechenzentren auswirken. Industriepartner erhalten so belastbare Erkenntnisse für zukünftige Anwendungen.

Intelligente Verteilung von Rechenaufgaben und Steuerung von Rechenlasten

Ein Schwerpunkt des Projekts liegt auf der intelligenten Steuerung von Workloads, bzw. Rechenaufgaben. Dafür integrieren wir Softwarelösungen, die Rechenaufgaben automatisch auf geeignete Systeme verteilen können. Mithilfe eines Orchestrators lassen sich Arbeitslasten zeitlich oder geografisch auf unterschiedliche Systeme verteilen. Der Orchestrator übernimmt die strategische Planung der Rechenaufgaben und entscheidet, wann und wo Workloads ausgeführt werden. Dafür berücksichtigt er beispielsweise die Verfügbarkeit erneuerbarer Energien, die Auslastung der Infrastruktur und die Anforderungen der Anwendungen.

Dadurch können Anwendungen bevorzugt dort ausgeführt werden, wo ausreichend erneuerbare Energie verfügbar ist oder besonders günstige Betriebsbedingungen herrschen. Die IT-Infrastruktur reagiert somit auf Signale aus dem Energiesystem und nutzt Ressourcen gezielter als bisher. Neben der Verteilung von Arbeitslasten untersuchen wir, wie sich die Leistungsaufnahme einzelner Rechner flexibel steuern lässt.

Dafür nutzen wir Verfahren zur dynamischen Anpassung von Taktfrequenz und Spannung von Prozessoren und Grafikprozessoren. Fachleute bezeichnen diesen Ansatz als »Dynamic Voltage and Frequency Scaling« (DVFS). Wird weniger Rechenleistung benötigt, sinkt der Energieverbrauch. Bei höherem Bedarf stehen die Ressourcen wieder in vollem Umfang zur Verfügung. Darüber hinaus kann eine reduzierte Leistungsaufnahme die Energieeffizienz erhöhen und technische Komponenten entlasten.

Der Softwareprototyp des Fraunhofer ISST unterstützt dabei:

• die Analyse und Optimierung von Workloads im Edge-Cloud-Kontinuum
• die Integration bestehender Infrastrukturen wie Kubernetes und OpenStack
• Empfehlungen für eine effizientere Nutzung von Rechenressourcen

Erneuerbare Energien und Batteriespeicher integrieren

Mit der Einbindung einer Photovoltaikanlage und eines Batteriespeichers untersuchen wir, wie lokal erzeugte Energie optimal genutzt werden kann. Gleichzeitig analysieren wir, wie Batteriespeicher Lastspitzen abfedern und den Energiebedarf von Rechenzentren flexibler gestalten können.

Dadurch entstehen neue Möglichkeiten, auf schwankende Strompreise und variable Einspeisungen aus erneuerbaren Energien zu reagieren.

Herzstück der energieseitigen Steuerung ist das am Fraunhofer ITWM entwickelte Amperix-Energiemanagementsystem. Es erfasst Energieflüsse in Echtzeit, prognostiziert Erzeugung und Verbrauch und optimiert den Betrieb von Batteriespeichern sowie Rechenressourcen für unterschiedliche Energieszenarien. Während der Orchestrator die langfristige Verteilung der Rechenlasten plant, übernimmt das Amperix-Energiemanagementsystem die operative Steuerung. Es prognostiziert Energieerzeugung und -verbrauch und regelt in Echtzeit die Leistungsaufnahme von Rechenressourcen und Batteriespeichern.

Geografisch verteilte Rechenzentren und energieeffiziente Hardware bewerten

Neben dem Betrieb einzelner Standorte betrachten wir auch Szenarien mit geografisch verteilten Rechenzentren. Dabei untersuchen wir, wie sich Rechenaufgaben zwischen verschiedenen Standorten verschieben lassen, um Energie effizienter einzusetzen und Kosten zu reduzieren.

Diese Ansätze gewinnen insbesondere für Cloud- und Edge-Computing-Anwendungen zunehmend an Bedeutung.

Ein weiterer Teil des Projekts widmet sich der Analyse neuer Hardwaretechnologien. Wir charakterisieren deren Energieverbrauch und bewerten, welche Möglichkeiten zur flexiblen Steuerung bestehen. Die Ergebnisse helfen dabei, zukünftige Rechenzentrumsinfrastrukturen gezielt auf Energieeffizienz und Flexibilität auszurichten. 

Beitrag zur digitalen Souveränität Europas

Die Nachfrage nach digitalen Diensten wächst stetig. Gleichzeitig werden leistungsfähige Rechenzentren zu einer strategischen Voraussetzung für die digitale Zukunft Europas.

Mit dem »FlexLab« leisten wir einen Beitrag dazu, Cloud-Infrastrukturen energieeffizienter zu betreiben und ihre Integration in zukünftige Energiesysteme zu ermöglichen. Damit unterstützen wir die Entwicklung einer leistungsfähigen, nachhaltigen und souveränen digitalen Infrastruktur in Europa.

Partner und Laufzeit

Das Projekt »FlexLab« realisieren wir gemeinsam mit T-Systems im Rahmen der europäischen Initiative IPCEI-CIS.