Rechenzentrum Stromverbrauch: Wie viel Strom wird verbraucht?

Wie viel Strom verbraucht ein Rechenzentrum?

Ein Rechenzentrum verbraucht je nach Größe, eingesetzter IT-Geräte und Gebäudetechnik etwa 10-100 MW (Megawatt) im Jahr, wobei laut einer Bitkom-Studie der weltweite Stromverbrauch steigen wird und Rechenzentren weltweit bald 350-400 Terawattstunden (TWh) im Jahr verbrauchen.

Ein Hyperscale-Rechenzentrum verbraucht über 100 MW pro Jahr.  Hyperscale-Rechenzentren sind für global agierende Unternehmen ausgelegt. Sie verfügen meist über eine Fläche von mindestens 1.000 m² und enthalten mindestens 5.000 Server. 

Ein mittelgroßes Rechenzentrum mit ca. 2.000 Servern und mindestens 500 m² benötigt etwa 5 MW pro Jahr. 

Ein kleines Rechenzentrum mit 100 m² und weniger als 140 Servern verbraucht etwa 876.000 kWh pro Jahr. 

Der Stromverbrauch hängt nicht allein von der Größe des Rechenzentrums ab, sondern auch von den gebäudetechnischen Gegebenheiten und von der Effizienz der eingesetzten IT-Geräte. In einer unternehmensinternen Untersuchung von IBM zur Ermittlung des Energiebedarfs von Rechenzentren setzten die IBM Planer beispielsweise eine Spanne von 500 bis 1.500 W pro Quadratmeter an, bzw. 2 kWh bis 6 kWh pro Rack. 

Der Stromverbrauch von Rechenzentren ist im Gesamtenergieverbrauch der Welt deutlich sichtbar. Schätzungsweise sind Rechenzentren für 4 bis 5 % des weltweiten Energieverbrauchs verantwortlich.

Der Betrieb von Servern und Netzwerkkomponenten erfordert Kühlung, Lüftung und weitere Elektrotechnik. Ein Drittel (33 %) des Stromverbrauchs von Rechenzentren wird durchschnittlich für Klimatisierung, unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) und weitere Gebäudetechnik aufgewendet. 

Der Stromverbrauch lässt sich anhand der verwendeten IT-Geräte und Komponenten der Gebäudetechnik berechnen.

Wie lässt sich der Stromverbrauch eines Rechenzentrums berechnen?

Der Stromverbrauch eines Rechenzentrums lässt sich berechnen, indem die Leistungswerte der Rack-Stromverteilungsgeräte (PDUs), Kühlsysteme, Beleuchtung, Komponenten der Stromversorgung (inkl. USV) sowie aller anderen Verbraucher im Rechenzentrum addiert werden.

Für die Ermittlung des Stromverbrauchs eines Rechenzentrums ist eine direkte Messung der Gesamtleistung in Kilowattstunden (kWh) empfehlenswert. Die entsprechenden Werte des genutzten Stroms lassen sich vom Stromzähler ablesen. Dabei ist darauf zu achten, dass nur der Stromzähler betrachtet wird, der allein den Stromverbrauch des Rechenzentrums misst. 

Indirekt lässt sich der Stromverbrauch eines Rechenzentrums ermitteln, indem die Nennleistungen (in Watt) aller IT-Geräte und sonstiger Verbraucher im Rechenzentrum addiert und mit einem Auslastungsfaktor, z.B. 70 % bis 80 %, multipliziert werden. Der Auslastungsfaktor ist das prozentuale Verhältnis zwischen Volllaststunden und Gesamtstunden innerhalb einer bestimmten Periode.  

Neben der Berechnung des Stromverbrauchs eines Rechenzentrums ist es ebenso wichtig, dessen Energieeffizienz zu bewerten.

Hat man den gesamten Stromverbrauch des Rechenzentrums ermittelt, lässt sich die Power Usage Effectiveness (PUE) berechnen. Der PUE-Wert ist eine wichtige Kennzahl, welche gemäß EN50600-4-2 die Energieeffizienz des Rechenzentrums misst, indem der Gesamtenergieverbrauch des Rechenzentrums und der Energieverbrauch der IT-Geräte miteinander ins Verhältnis gesetzt werden.

Ein PUE-Wert <2,0 gilt als gut, bei etwa 1,5 liegt der Branchenstandard, einen PUE-Wert von ca. 1,0 erlangen nur die effizientesten Rechenzentren mit geringem Stromverbrauch.  Ein PUE-Wert von 1,0 entspricht einer Effizienz von 100 %. Der durchschnittliche PUE-Wert für Rechenzentren liegt bei 1,67. D.h. von 1,67 W, die das Rechenzentrum an elektrischer Leistung umsetzt, wird 1 W an die IT-Geräte abgegeben. 

Der PUE-Wert ist zwar ein verlässlicher Anhaltspunkt zur Messung der Energieeffizienz des Rechenzentrums insgesamt, sagt jedoch nichts über die Effizienz der IT-Geräte aus. Die Effizienz der IT-Ausrüstung wird gemessen, indem der gesamte IT-Stromverbrauch des Rechenzentrums mit der gesamten zugeführten Leistung der IT-Ausrüstung ins Verhältnis gesetzt wird. 

Zur Bestimmung des durch die IT-Geräte in den Server Racks verbrauchten Stroms wird am Ausgang der Stromverteilereinheiten (PDUs oder Power Distribution Units) ein Messgerät installiert. 

DCIM (Data Center Infrastructure Management)-Tools sammeln, analysieren und speichern die Daten über Stromverbrauch und Kühlbedarf in Echtzeit. Durch den gezielten Einsatz von DCIM-Anwendungen lässt sich erkennen, wie effizient IT-Geräte und Gebäudetechnik zusammenarbeiten. Ineffiziente oder ungenutzte IT-Komponenten werden somit identifiziert.

Bei einem zu hohen PUE-Wert und ineffizienten IT-Komponenten sind unbedingt Maßnahmen einzuleiten, um den Stromverbrauch des Rechenzentrums zu optimieren. 

Wie kann man den Stromverbrauch von Rechenzentren optimieren?

Man kann den Stromverbrauch von Rechenzentren optimieren, indem Kühlung, Lüftung und IT-Geräte energieeffizient aufeinander abgestimmt werden, z.B. durch den Einsatz drehzahlvariabler Lüfter, die Konsolidierung und Virtualisierung von Servern und Storage sowie die Verwendung von Energiemanagement-Software.   

Den größten Strombedarf in einem Rechenzentrum haben die Server aufgrund ihres Kühlbedarfs und ihrer Rechenleistung. Das Kühlsystem hat mitunter einen sehr hohen Anteil am Gesamtenergiebedarf des Rechenzentrums. Die Kühlung macht bis zu 50 % der Energiekosten für Rechenzentren insgesamt aus. Eine Reduzierung des Stromverbrauches der Server führt dementsprechend automatisch zu einer Reduzierung des Kühlbedarfs. 

Eine Möglichkeit zur Optimierung des Stromverbrauchs von Servern ist die Konsolidierung und Virtualisierung von Servern und Storage, indem Anwendungen und Dateien mehrerer IT-Geräte auf einem Gerät zusammengeführt werden. Stellt man z.B. fest, dass einige Server nur in geringem Maß ausgelastet sind, ist es möglich, Anwendungen zu konsolidieren und somit die Anzahl der Server zu reduzieren. Weniger Server führen zu einem geringeren Stromverbrauch im Rechenzentrum. 

Eine umfassende Energiemanagement-Software dient der Überwachung und intelligenten Steuerung von Energieressourcen und hilft so, den Stromverbrauch in Rechenzentren zu optimieren. KI-gestützte Software für das Energiemanagement ist dazu in der Lage, Daten präzise zu erfassen, Verbrauchsmuster zu analysieren, Anomalien zu erkennen und Prognosen für die zukünftige Entwicklung abzugeben. In Kombination mit dynamischem Power Capping ist die Fähigkeit der Software, Prognosen zu entwickeln, besonders nützlich. 

Dynamisches Power Capping ist im Rahmen von Energiemanagement-Software ebenfalls möglich, um den Stromverbrauch des Rechenzentrums zu senken. Power Capping begrenzt den Stromverbrauch eines Servers oder einer Servergruppe, indem ein Maximalwert für den Stromverbrauch festgelegt wird. Dynamisches Power Capping passt den gesetzten Grenzwert je nach Systemauslastung, Temperatur, Kühlung usw. an. Der größte Vorteil von dynamischem Power Capping ist die Unterstützung der optimalen Balance zwischen Leistung und Energieverbrauch. 

Eine weitere Maßnahme zur Optimierung des Stromverbrauchs in Rechenzentren ist der Einsatz von Lüftern mit variabler Drehzahl. Lüfter mit variabler Drehzahl verbrauchen nur Strom, wenn sie in Betrieb sind und passen ihre Drehzahl an die Leistung an. 

Durch die Optimierung des Stromverbrauchs der IT-Geräte durch Energiemanagement-Software, Power Capping und Konsolidierung von Servern lässt sich ein großer Teil des Kühl- und Lüftungsbedarfs an Strom einsparen. Doch selbst wenn man den Energiebedarf reduziert, machen ineffiziente Kühlung und Lüftung diese Einsparungen zunichte. Daher ist es für eine wirkungsvolle Senkung des Stromverbrauchs in Rechenzentren sinnvoll, Kühlungs- und Lüftungssysteme zu optimieren, z.B. mithilfe von Warmgang- und Kaltgangeinhausungen.

Warmgang- und Kaltgangeinhausungen senken den Stromverbrauch im Rechenzentrum

Warmgang- und Kaltgangeinhausungen senken den Stromverbrauch im Rechenzentrum, indem sie die Mischung von kalter und warmer Luft verhindern. 

Die Vermischung von warmer Abluft der IT-Geräte und kalter Luft aus dem Kühlungssystem führt zu einem höheren Stromverbrauch, da die Kühlgeräte bei gemischter Luft mehr Leistung benötigen als bei gekühlter Luft, um eine bestimmte Kühlwirkung zu erreichen. Die Vermischung von Warm- und Kaltluft hat auf Dauer zur Folge, dass Server nicht ausreichend gekühlt werden, wodurch die Überhitzungsgefahr steigt und Hot Spots entstehen.

Eine zuverlässige Möglichkeit, die Vermischung von warmer und kalter Luft zu unterbinden, ist eine Kaltgang-oder Warmgangeinhausung.

Bei Kaltgangeinhausungen werden die Server Racks so aufgestellt, dass sich die Vorderseiten der Server gegenüberliegen. Dazwischen liegt der sogenannte Kaltgang, der an den Seiten und oben eingeschlossen wird. Die kalte Luft gelangt über den Doppelboden oder das Klimagerät in den Kaltgang, während die warme Luft an den Rückseiten der Server in den Serverraum strömt. Gemäß dem Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg spart eine Kaltgangeinhausung in einem mittelständischen IT-Unternehmen jährlich ca. 100 MW pro Jahr. 

Bei Warmgangeinhausungen werden die Server Racks so aufgestellt, dass sich die Rückseiten der Server gegenüberliegen und einen Gang bilden. Der Warmgang wird durch Paneele, einen HAC Kamin und Türen eingehaust. Die kalte Luft wird über den Serverraum zugeführt, die warme Abluft der Server strömt in den Warmgang, wo sie über den Kamin in die Doppeldecke aufsteigt. Laut einer Studie des Beijing Institute of Petrochemical Technology, der University of Minnesota und der University of Idaho spart eine Warmgangeinhausung jährlich 43% der Energiekosten ein.    

Sowohl Kaltgang- als auch Warmgangeinhausungen verbessern die Luftführung. Durch die effizientere Kühlung laufen Lüfter und Klimageräte mit geringerer Drehzahl, was Strom einspart.  

Aufgrund der strikten, physischen Trennung von Warm- und Kaltluft ist der Einsatz von Kaltgang- und Warmgangeinhausungen eine der effektivsten Methoden zur Optimierung der Energieeffizienz und dementsprechend zur Reduzierung des Stromverbrauchs und der Stromkosten.

Wie hoch ist der Stromverbrauch von Rechenzentren in Deutschland?

Der Stromverbrauch von Rechenzentren in Deutschland beträgt laut Aussage des Deutschen Bundestags derzeit 20 Terawattstunden pro Jahr.

In Deutschland lag der Strombedarf von Rechenzentren im Jahr 2024 bei ca. 20 Milliarden Kilowattstunden, was ungefähr 4 % des Gesamtstromverbrauchs in Deutschland ausmacht. Zum Vergleich: 2014 belief sich der Strombedarf von Rechenzentren in Deutschland auf 12 Milliarden kWh. Innerhalb der nächsten vier Jahre wird aufgrund des Einsatzes künstlicher Intelligenz eine Verdopplung des Strombedarfs erwartet.

Wie hoch ist der Stromverbrauch von Rechenzentren weltweit?

Der Stromverbrauch von Rechenzentren weltweit beträgt für das laufende Jahr 2025 schätzungsweise 600 TWh (Terrawattstunden), während 2022 rund 460 TWh weltweit von Rechenzentren verbraucht wurden. 

Weltweit werden ungefähr 11.800 Rechenzentren betrieben, wovon sich fast 50 % in den USA befinden. 

Da der Stromverbrauch sich bis 2030 voraussichtlich verdoppelt, wird es zunehmend wichtiger, auf die Effizienz von Rechenzentren zu achten. Kalt- und Warmgangeinhausungen von SCS FACO helfen dabei, den Stromverbrauch von Rechenzentren zu reduzieren.