Naturgewalten
Dem Ursprung auf der Spur
Jemanden zu bitten, eine visuelle Beschreibung „der Cloud“ oder von Cloud-Computing-Diensten zu geben, ist so, als würde man nach einer visuellen Beschreibung der Luft fragen. Alltägliche Aktivitäten wie Online-Bestellungen, Messaging-Apps und soziale Medien können nicht ohne sie stattfinden, aber es ist schwierig, genau in Worte zu fassen, was es ist.
Die Cloud und die Luft haben jedoch ähnliche Eigenschaften, die leicht zu erfassen sind. Wie die Luft wissen wir, dass die Cloud immer um uns herum ist. Wir wissen, dass das Leben ohne sie sehr schwierig wäre, und wir wissen, dass sie zwar beide für uns unsichtbar sind, aber einige unschätzbare Dinge in sich tragen. Für Luft sind das vor allem Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle, für die Cloud sind es unsere Daten.
Aber dieses grundlegende Verständnis führt nur zu weiteren Fragen.
Wie sind unsere Daten überhaupt in die Cloud gekommen? Wie geht es weiter? Wo werden sie gespeichert und wie sind sie 24/7 verfügbar?
Die Antwort auf diese ätherischen Fragen ist eigentlich eine sehr physische und greifbare: Rechenzentren.
Rechenzentren sind das Rückgrat der Microsoft Cloud. Sie sind die physische Infrastruktur, die Tausende von Servern beherbergt und wartet, die unsere Daten speichern und durch die Cloud bewegen. Sie bieten eine konstante Energiequelle sowie die saubere und kühle Umgebung, die erforderlich ist, um die Server am Laufen zu halten.
„Derzeit betreiben wir über 300 Rechenzentren in über 34 Ländern. Unsere Rechenzentrumsflotte entspricht etwa 700 Fußballfeldern“, sagt Noelle Walsh, Corporate Vice President of Cloud Operations and Innovation bei Microsoft.
Die Nachfrage nach Cloud-Diensten ist Jahr für Jahr exponentiell gestiegen, was zum Teil auf den jüngsten Anstieg der weltweiten Nutzung von KI zurückzuführen ist, was bedeutet, dass auch die Rechenzentrumsinfrastruktur von Microsoft in rasantem Tempo wachsen musste.
Eine wichtige Überlegung für dieses Wachstum ist , wie Rechenzentren die weltweit steigende Nachfrage nach Cloud-Computing auf eine Weise befriedigen können, die nachhaltig ist und die Umwelt und die Gemeinschaft so wenig wie möglich belastet.
Rechenzentren nutzen Energie aus demselben Stromnetz, das auch Wohnungen, Büros und Ampeln mit Strom versorgt. Da sie ständig laufen müssen, sind dieselbetriebene Notstromgeneratoren und unterbrechungsfreie Stromversorgungen mit Blei-Säure-Batterien traditionell die Hauptstütze des Betriebs im Falle von Stromausfällen.
Da die physische Größe von Rechenzentren enorm sein kann, haben sie außerdem einen überwindbaren ökologischen Fußabdruck in den Gebieten, in denen sie vorhanden sind.
„Ein zentraler Bestandteil unserer täglichen Arbeit ist die Verbesserung des Designs und der betrieblichen Effizienz unserer Rechenzentren, um die Anzahl der von uns verbrauchten natürlichen Ressourcen zu reduzieren“, sagt Walsh. „Wir tun dies, indem wir Nachhaltigkeit zu unserer Grundlage machen, während wir auf unsere Verpflichtungen hinarbeiten, und indem wir unsere täglichen Abläufe kontinuierlich anpassen, um unsere Auswirkungen auf die Umwelt zu minimieren.“
Der Kernansatz zur Verbesserung der Nachhaltigkeit von Rechenzentren ist Innovation. Durch die Zusammenarbeit mit internen R&D-Teams und die Zusammenarbeit mit externen Experten, internen Praktiken und Richtlinien haben für die Branche klare Beispiele für die Vorteile des Testens und Implementierens neuer Ansätze für den Bau und Betrieb dieser Standorte geliefert.
Ein guter Nachbar sein
Der Ausgangspunkt für Innovationen in einem Microsoft-Rechenzentrum basiert auf der 3,8 Milliarden Jahre alten Forschung und Entwicklung der Natur, moderne Designherausforderungen nachhaltig zu lösen. Kaitlin Chuzi, Director of Biomimicry & Advanced Ecosystems, ist ein wichtiger Vorreiterin in dieser Arbeit.
„Wenn ein Gebäude gebaut wird, entstehen ökologische Kosten, also arbeiten wir daran, diese Dinge zu mindern“, sagt Chuzi. „Wichtig ist, dass wir den Standort ganzheitlich und systemisch mit Blick auf das lokale Ökosystem gestalten.“
Kaitlin und ihr Team sind Experten für Biomimikry und nutzen und emulieren Lösungen aus Pflanzen, Tieren und den Elementen, die sich im Laufe von Millionen von Jahren der Evolution auf natürliche Weise manifestiert haben. Die Nutzung von Biomimikry kann die Beziehung von Rechenzentren zum Planeten und seinen Ökosystemen neu gestalten. Es geht darum, mit den bestehenden Gemeinschaften, in denen die Standorte betrieben werden, im Einklang zu sein und einen positiven Beitrag zu leisten.
So wurden beispielsweise an einigen Standorten traditionelle Regenrückhaltebecken in künstlich angelegte Feuchtgebiete umgewandelt, die dazu beitragen, die Wasserqualität zu filtern und zu verbessern und Lebensräume für lokale Arten zu schaffen. Andere untersuchen die Verwendung von speziellem UV-Glas, das die Eigenschaften von UV-Enzymen in Spinnennetzen nachahmt, die Vögel im Laufe der Evolution erkannt und vermieden haben, wodurch die Anzahl der Fälle, in denen sie in Gebäude stürzen, reduziert wird.
Vögel haben sich so entwickelt, dass sie in der Lage sind, UV-Enzyme, die in einigen Spinnennetzen vorkommen, zu erkennen und zu vermeiden. Um die Zahl der Vorfälle zu reduzieren, bei denen Vögel gegen Fenster prallen, untersuchen Kaitlin und ihr Team die Integration eines speziellen UV-Glases, das die Eigenschaften dieses Enzyms nachahmt.
Von grünen Wänden mit vertikaler Vegetation, die die Artenvielfalt erhöhen, bis hin zu durchlässigen Pflastern, die Regenwasser in den darunter liegenden Boden fließen lassen, hat die Natur hervorragende Möglichkeiten hervorgebracht, Rechenzentren besser mit ihrer Umgebung in Einklang zu bringen.
Die für den Bau von Rechenzentren verwendeten Materialien bieten auch große Möglichkeiten, Nachhaltigkeitsverpflichtungen durch Innovation voranzutreiben.
„Wenn wir einen gesunden, intakten Referenzlebensraum als Maßstab nehmen, hat dieses Ökosystem eine 100-prozentige Ökosystemfunktion. Unsere ersten Modelle zeigen, dass wir Rechenzentren entwerfen können, die 75 % dieser Funktion beibehalten.“
Kaitlin Chuzi
Beton, ein Schlüsselmaterial in Rechenzentren, ist für 8 % aller globalen Kohlenstoffemissionen verantwortlich und damit einer der größten Verursacher von Treibhausgasen auf der Erde. Um eine stärkere Reduzierung des Kohlenstoffausstoßes zu erreichen, testet Microsoft eine neue Betonmischung mit recyceltem Glas, die den Kohlenstoffgehalt in Deckenstrukturen um etwa die Hälfte reduziert. Ein weiteres Pilotprojekt im Labormaßstab, in Zusammenarbeit mit Prometheus Materials, verwendet Strukturmaterialien aus Kalkstein und Beton auf Algenbasis, die das Potenzial haben, den Kohlenstoffgehalt in Anlagen auf nahezu Null zu senken.
Die Entwicklung nachhaltiger Lösungen für das, was außerhalb und rund um ein Rechenzentrum passiert, ist jedoch nur die halbe Miete. Was im Inneren passiert, ist genauso wichtig; Genauer gesagt, wie man die Stromversorgung jeden Tag, 24/7, an all diesen Standorten aufrechterhalten kann. Selbst der kürzeste Stromausfall würde immense Welleneffekte in der gesamten Cloud-Infrastruktur verursachen.
Audrey Lee, Senior Director of Datacenter Energy Strategy, befasst sich mit dem täglichen „Wie“ dieser gewaltigen Aufgabe. Audrey beaufsichtigt die komplexe Planung und Strategie, die mit der Beschaffung von Strom für die Rechenzentren verbunden ist, und bestimmt, wie sich diese Nutzung auf die Gemeinden auswirkt, mit denen sie sich ein Netz teilen.
„In der Vergangenheit benötigten Microsoft-Rechenzentren nur einen kleineren Teil des Netzes. Aber da die Nachfrage gestiegen ist, haben wir einen größeren Anteil am Netz benötigt, daher ist es wichtig, unsere Auswirkungen zu verstehen“, sagt Lee.
Um diese erhöhte Nachfrage im Netz jetzt und in Zukunft besser zu verstehen, verwendet Audreys Team einen Ansatz namens Netzmodellierung, der die Netznutzung prognostiziert, damit sie angemessen, nachhaltig und zeitnah geplant werden kann.
Microsoft ist zwar kein Energieunternehmen, aber in vielerlei Hinsicht ein Infrastrukturunternehmen, und Energie ist eine unschätzbare Ressource für jede Cloudinfrastruktur. Aus diesem Grund sind nachhaltige Energiepraktiken und die Schaffung eines positiven Einflusses auf die Gemeinschaft wichtige Aufgaben des Unternehmens.
Eine Möglichkeit, positive Auswirkungen zu erzielen, ist die Stabilisierung des Netzes und die Rückführung in das Netz.
Lee erklärte, dass bei steigendem Stromverbrauch Nachfrage und Angebot an Strom im Netz nicht immer übereinstimmen. Microsoft verfügt über unterbrechungsfreie batteriebetriebene Versorgungssysteme als Backup für den Fall eines Netzausfalls, die den Dienst wieder in das Netz einspeisen können, indem sie vorübergehend einen Teil des Strombedarfs von Rechenzentren auf diese Batterien verlagern und so die Stabilisierung des Netzes unterstützen.
Die Kultivierung alternativer Energiequellen für diese Backup-Systeme sowie für die Serverkühlsysteme in Rechenzentren hat sich als eine weitere großartige Chance für Innovationen erwiesen.
Innovation mit der Natur
Biomimikry
Bei Biomimikry geht es darum, vom ältesten Lehrer der Geschichte zu lernen: der Natur. Vor unseren Augen verbergen sich zeitlose Lösungen, die integriert und nachgeahmt werden können, um aktuelle Probleme zu lösen. Auf diese Weise verbessern wir die ökologische Funktion von Rechenzentren selbst.
Grüner Wasserstoff
Grüner Wasserstoff wird durch einen Prozess namens Elektrolyse erzeugt, bei dem Wasserstoff ohne schädliche Nebenprodukte aus Wassermolekülen gespalten wird. Die Bemühungen von Microsoft, diese Art von Wasserstoffantrieb für die Rechenzentrumsflotte zu skalieren, werden eine Premiere für den Energiesektor weltweit sein.
Stabilisierung des Netzes
Wenn der Stromverbrauch steigt, sind Angebot und Nachfrage möglicherweise nicht immer aufeinander abgestimmt. Dem Netz zu helfen, dieses Gleichgewicht aufrechtzuerhalten, ist der Kern der Netzstabilisierung. Rechenzentren verfügen über ein unterbrechungsfreies Notstromversorgungssystem, das im Falle eines Ausfalls immer läuft. Es ist möglich, einen Teil unseres eigenen Strombedarfs auf diese Energiequellen zu verlagern, wenn es eine größere Nachfrage im Netz gibt, was dann seine Stabilisierung unterstützt.
Sonia Maleky, Leiterin Wasserstofftechnologie
Eine Zukunft im Zeichen der Innovation
„Die Wasserstoff-Brennstoffzellen-Technologie wurde in kleinerem Maßstab kommerzialisiert, aber Microsoft ist das erste Unternehmen, das die Multi-Megawatt-Erzeugung in großem Maßstab für Rechenzentren demonstriert und die dieselbetriebenen Backup-Generatoren ersetzt, die den kontinuierlichen Betrieb im Falle von Stromausfällen und anderen Serviceunterbrechungen unterstützen“, sagt Sonia Maleky, Director of Hydrogen Technology bei Microsoft.
Grüner Wasserstoff hat das Potenzial, die perfekte nachhaltige Energiequelle für verschiedene Branchen zu sein, darunter Rechenzentren, Gewerbegebäude und Krankenhäuser. PEM-Brennstoffzellen kombinieren Wasserstoff und Sauerstoff in einer chemischen Reaktion, die Strom, Wärme und Wasser erzeugt – keine Verbrennung, kein Feinstaub und keine Kohlenstoffemissionen.
Sonias Team entwickelt Energieinnovationen, die das Potenzial haben, den Energiesektor, wie wir ihn heute kennen, zu verändern. Die Demonstration der Anwendung von grünem Wasserstoff im industriellen Maßstab wird intern zu mehr Nachhaltigkeit führen und ein starker Anwendungsfall für andere Unternehmen mit ähnlichen Zielen und Verpflichtungen sein, dasselbe zu tun.
„Wir brauchen eine robuste grüne Wasserstoffwirtschaft, einschließlich der Versorgung mit grünem Wasserstoff, Wasserstoff-Brennstoffzellen und Wasserstoffspeicherung, um Wasserstoff-Kraftstoffgeneratoren als praktikable Backup-Energieoptionen für den Übergang zu emissionsfreien Lösungen erfolgreich zu implementieren.“
Sonia Maleky
Eine weitere Innovation in der Entwicklung, die genauso spannend ist wie die Wasserstoff-Brennstoffzelle, ist die Cold-Plate-Technologie. Die Anwendung dieser Technologie, bei der heißes Wasser aus Kühlsystemen als kaltes Wasser wiederverwendet wird, hat die Systeme von Microsoft bereits um 90 % effizienter gemacht als herkömmliche Systeme. Letztendlich wird dies ein vollständig geschlossenes Kreislaufsystem sein, das niemals Wasser aus externen Quellen benötigt.
Neben dem Recycling von Wasser für Kühlsysteme kann das erste Circular Centers-Programm seiner Art Hardware aus Rechenzentren wiederverwenden und umfunktionieren und ist auf dem besten Weg, bis 2025 90 % recycelte Server zu verwenden.
Diese gemeinsamen Bemühungen, innovative Lösungen zu entwickeln, zeigen, dass eine Zukunft, in der Rechenzentren nicht nur einen nettoneutralen, sondern auch einen positiven Einfluss auf die Umwelt haben, in greifbare Nähe gerückt ist. Da die Einsatzmöglichkeiten für Cloud Computing rund um den Globus weiter zunehmen, werden die Rechenzentren von Microsoft dazu da sein, diesen Bedarf auf möglichst nachhaltige Weise zu decken.
Bildnachweise: Matt Howard, Dave Hoefler, Ivan Bandura, Yogesh Gosavi, Josh Withers
