Cloud Computing im Takt erneuerbarer Energien

Wer einem Sinfonieorchester lauscht, dem kann der Eindruck entstehen, dass die vielen Musiker auf der Bühne zu einer Einheit verschmelzen, sobald das Musikstück beginnt. Neben den Harmonien fällt dabei auch die gemeinsame Dynamik der Musiker auf. Alle Musiker müssen gleichermaßen Einsatz zeigen, um das Tempo oder die Lautstärke der Musik zu beeinflussen. Diese Koordination übernimmt eine Person: der Dirigent.
In gewisser Weise lässt sich das Bild des Sinfonieorchesters auf moderne Softwaresysteme übertragen, weil verteilte Systemteile ebenfalls individuelle Aufgaben übernehmen aber als Einheit wahrgenommen werden müssen. Dazu kommt, dass Cloud-Systeme Flexibilität und Koordinationsmöglichkeiten bieten. So kann gesteuert werden, wann und wo ein IT-gestützter Prozessschritt ablaufen soll. Das hilft bspw. bei der Verteilung von Last im System.
Stellen wir uns vor, dass wir dabei auch Nachhaltigkeitsaspekte in die Prozesssteuerung integrieren können, so sind wir bei der Grundidee von Carbon Aware Computing angelangt. Beim Carbon Aware Computing wird die Metrik Kohlenstoffintensität genutzt, um die Ausführung eines IT-Systems zu steuern. Die Nachhaltigkeit wird somit zum Dirigenten des Systems.

Wie die Kohlenstoffintensität des Stromnetzes schwankt

Abhängig davon, zu welcher Zeit und an welchem Ort elektrische Energie bzw. Strom verbraucht wird, sind damit unterschiedliche Schadstoffemissionen verbunden. Das liegt daran, dass nicht jeder Strom gleich erzeugt wird. Bei der Verstromung fossiler Energieträger werden mehr Emissionen verursacht als bei der Energieerzeugung aus regenerativen Quellen. Neben Treibhausgasen, die auf das einheitliche Maß der Kohlenstoffdioxidäquivalente abstrahiert werden, können dabei auch andere umwelt- oder gesundheitsschädliche Stoffe in die Umwelt gelangen. Zur besseren Eingrenzung fokussiert sich dieser Blogbeitrag auf die Emission von Kohlenstoffdioxidäquivalenten und lässt andere Schadstoffe außen vor.
Die Kohlenstoffintensität beschreibt, wie viele Kohlenstoffdioxidäquivalente pro verbrauchter Kilowattstunde Strom emittiert werden. Vereinfacht gesagt, hilft diese Kennzahl dabei, die Nachhaltigkeit eines Stromnetzes zu bewerten. Die Kohlenstoffintensität ist dabei stets orts- und zeitpunktbezogen.
Der Ortsbezug leitet sich daraus ab, dass sich die Stromerzeugung regional unterscheidet. Dadurch ist die Kohlenstoffintensität in Regionen mit breitem Ausbau erneuerbarer Energien selbstverständlich geringer als in Regionen, in denen vermehrt fossile Energieträger verstromt werden. Um einen Eindruck darüber zu gewinnen, wie sich die Kohlenstoffintensität auf der Welt unterscheidet, kann das Online-Tool Eletricity Maps genutzt werden, das aktuelle und historische Daten zur Kohlenstoffintensität und Stromerzeugung zur Verfügung stellt.
Darüber hinaus ist die Kohlenstoffintensität ein zeitpunktbezogener Wert, da die Stromerzeugung nicht statisch ist. Der Energiebedarf der Verbraucher sowie die Verfügbarkeit erneuerbarer Energiequellen unterliegt Schwankungen. Der Energiebedarf steigt abends bspw., wenn viele Menschen Haushalts- und Küchengeräte nutzen, wobei die Energieerzeugung aus Solarenergie geringer wird, da die Sonne nicht mehr so intensiv scheint. Das hat zur Folge, dass Energieerzeuger kontinuierlich fossile Energieträger verstromen, um das Stromnetz stabil zu halten. Dazu werden fossile Energieträger verwendet, da diese dispatchfähig sind; also die erzeugte Strommenge einfach gesteuert werden kann. Somit schwankt je nach Tageszeit auch die Kohlenstoffintensität. Eine effektive Maßnahme, um diesen zeitpunktbezogenen Schwankungen entgegenzutreten, ist die Installation von Energiespeichern.

Was unter Carbon Aware Computing zu verstehen ist

Beim Carbon Aware Computing wird dieser Umstand adressiert. Dazu werden IT-Systeme automatisiert gesteuert, um den Energieverbrauch dynamisch an der Kohlenstoffintensität des verwendeten Stromnetzes auszurichten. Damit wird das Ziel verfolgt, die Emission von Kohlenstoffäquivalenten im Softwarebetrieb zu vermindern. Im Bereich Carbon Aware Computing haben sich dafür vier Patterns entwickelt, die helfen, den Energieverbrauch nachhaltig zu steuern:

Location Shifting: Eine Ressource wird in einer geografischen Region mit geringer Kohlenstoffintensität ausgeführt, um die Kohlenstoffemissionen zu verringern oder eine Ressource wird in geografischer Nähe zum Verwender bereitgestellt, um den Übertragungsweg von Daten zu verkleinern.

Temporal Shifting: Ein IT-gestützter Prozess wird in einem Zeitraum mit geringer Kohlenstoffintensität ausgeführt, um die Kohlenstoffemissionen zu verringern.

Peak Shaving: Ein IT-System steuert die Anzahl bearbeiteter Anfragen, um Lastspitzen zu vermeiden. Lastspitzen können zu einem exponentiell höheren Energieverbrauch führen. Dieses Prinzip kann bspw. umgesetzt werden, indem Anfragen in eine Queue gelegt werden.

Demand Shaping: Eine Applikation verringert die eigene Leistung bei hoher Kohlenstoffintensität, um den eigenen Energieverbrauch zu senken.

Diese vier Patterns können auch in Kombination angewendet werden, um den Effekt des Carbon Aware Computings zu maximieren. Dabei müssen die Patterns aber in Einklang mit den anderen Qualitätsanforderungen an die Software eingesetzt werden. Der Einsatz von Location Shifting bspw. bedingt, dass die Software in anderen geografischen Regionen ausgeführt werden darf und Sicherheitsanforderungen dies nicht untersagen.

Wie sich Carbon Aware Computing auswirkt

• Location Shifting und Temporal Shifting sind tolle Möglichkeiten, um den CO2-Ausstoß zu reduzieren, Beispiel mit Polen vs. Skandinavien
• Es erhöht auch die Resilienz eines Systems, da es sich nicht auf feste Orte oder Zeiten verlässt und flexibel einsetzbar ist
• Peak Shaving und Demand Shaping wirken sich positive auf das Lastverhalten und die Stabilität des Systems aus, beeinträchtigen aber womöglich die Erfüllung von Aufgaben und müssen dementsprechend mit den Kundenerwartungen vereinbar sein
• Dynamic Pricing: grüner Strom ist günstiger in der Erzeugung und könnte günstiger verkauft werden
• Entlastung des Stromnetzes bei Hochlast durch andere Verbraucher

Wie Carbon Aware Computing hilft, Nachhaltigkeitsziele zu erfüllen

• Super Möglichkeit, um nicht vermeidbare Ressourcenverbräuche nachhaltiger zu machen
• Dennoch wichtig, den Ressourcenverbrauch trotzdem zu reduzieren