Determining carbon dioxide footprint using data center simulators

Abstract

The modern world relies more and more on highly available software and digital data. To make this possible, the demands on data centers are increasing to provide the services in the required quality. This is associated with an increase in their power consumption and thus also their CO2 emissions. Today, they are already among the largest consumers of electricity and producers of CO2. Due to climate change and the set target of limiting global warming to a maximum of 2° Celsius, the aim is to reduce CO2 emissions. To calculate the CO2 footprint of data centers, data center simulators are already used in their planning phases. Simulators provide operators with important information about the future data center and show room for improvement. This thesis deals with the calculation of the Co2 footprint of data centers, the associated factors and provides an extended approach to the calculation of the CO2 footprint. Using a life cycle assessment approach, it is shown how the carbon footprint of data centers can be comprehensively calculated. For this purpose, several life cycle stages are determined that contribute to the CO2 footprint during the life cycle of a data center. Based on the life cycle stages, requirements for simulators are developed and, with the help of these, four current data center simulators are evaluated in their ability to calculate a CO2 footprint. Since current simulators calculate the CO2 footprint only partially and incompletely, the analysis of this work shows the need for a new simulator. Based on the analyzed life cycle stages, a new simulator is therefore designed. The subsequent evaluation of the simulator implemented as a proof-of-concept against the established requirements shows that the CO2 emissions of a data center can be comprehensively calculated with the demonstrated concept. In addition, a case study is carried out based on the High-Performance Computing Center Stuttgart and compared with the environmental statement of the HLRS.

Die moderne Welt verlässt sich in vielen Bereichen immer mehr auf hochverfügbare Software und digitale Daten. Um dies zu ermöglichen steigen die Anforderungen an Data Center für die Bereitstellung der Dienste in der entsprechend geforderten Qualität. Damit verbunden erhöht sich ihr Stromverbrauch und damit auch ihr CO2 Ausstoß. Bereits heute zählen sie zu den größten Stromverbrauchern und CO2-Produzenten. Auf Grund des Klimawandels und dem gesetzten Ziel die globale Erwärmung auf maximal 2° Celsius zu beschränken, wird eine Verringerung des CO2-Ausstoßes angestrebt. Um den CO2-Fußabdruck von Data Centern zu berechnen, werden bereits in deren Planungsphasen Data Center Simulatoren eingesetzt. Diese liefern den Betreibern wichtige Informationen über das zukünftige Data Center und zeigen Raum für Verbesserungen auf. Diese Thesis beschäftigt sich mit der Berechnung des Co2 Fußabdruckes von Data Centern, den zugehörigen Faktoren und liefert einen erweiterten Ansatz zur Berechnung des CO2 Fußabdruckes. Mit Hilfe eines Life Cycle Assessment Ansatzes wird gezeigt, wie der CO2-Fußabdruck von Data Centern umfassend berechnet werden kann. Dazu werden mehrere Life Cycle Stages bestimmt, die während des Lebenszyklus eines Data Centers zum CO2-Fußabdruck beitragen. Anhand der Life Cycle Stages werden Anforderungen an Simulatoren entwickelt und mit Hilfe dieser vier aktuelle Data-Center-Simulatoren, in ihrer Fähigkeit einen CO2-Fußabdruck zu berechnen, bewertet. Da bisherige Simulatoren den CO2-Fußabdrucks allerdings nur teilweise und unvollständig berechnen, zeigt die Analyse dieser Arbeit die Notwendigkeit eines neuen Simulators. Anhand der analysierten Life Cycle Stages wird daher ein neuer Simulator entworfen. Die anschließende Evaluation des als Proof-of-Concept implementierten Simulators gegen die aufgestellten Anforderungen zeigt, dass mit dem aufgezeigten Konzept der CO2 Ausstoß eines Data Centers umfassend berechnet werden kann. Zusätzlich wird anhand des Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart ein Fallbeispiel durchgeführt und mit der Umwelterklärung des HLRS verglichen.