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Die Wikipedia als Energieverbraucher

Vormerkungen

Das Internet ist bereits jetzt schon ein globaler Ressourcenverbraucher, der erhebliche Energiemengen für sich in Anspruch nimmt. Dies gilt sowohl für die Infrastruktur des Netzes als auch für seine Benutzer. Am 14. Februar 2007 wurde vom Lawrence Berkeley National Laboratory eine Studie mit Namen Estimating Total Power Consumption By Servers In The U.S. And The World erstellt, nach der im Jahre 2005 weltweit mit einem Stromverbrauch des Netzes von 123 Milliarden Kilowattstunden zu rechnen sei und das mit steigender Tendenz. Dies entspricht zur Zeit 1,2 % der weltweit jährlichen Stromerzeugung und der Dauerleistung von 13 modernen Kraftwerksblöcken zu je 1100 Megawatt, so wie sie beispielsweise beim Neubau der beiden Blöcke von BoA Neurath verwirklicht werden. In der Zahl von 13 Blöcken ist weder eine Betriebsreserve noch eine Reserve für regelmäßig anstehende Kraftwerksrevisionen enthalten.

Für das Jahr 2010 wird in der gleichen Studie mit einem Zuwachs des Energiebedarf des Internets von 76 % gerechnet, danach müssen dann 216 Milliarden kWh für den Betrieb der Infrastruktur bereit gestellt werden.

Nicht in die Rechnung eingegangen sind die Geräte der Endverbraucher der Informationen aus dem Internet, in diesem Falle die heimischen Personal Computer mit ihren Stromverbräuchen beim Gebrauch und ihren Stand-By-Verlusten.

Konsequenzen für die Wikipedia

Energiebedarf der Infrastruktur

Als einer der am meisten besuchten Seiten des Internets ist auch die Wikipedia von dieser Entwicklung betroffen. An dieser Stelle soll der Versuch gemacht werden, den Strombedarf abzuschätzen, welche die Infrastruktur der Wikipedia und ihrer Schwesterprojekte für sich in Anspruch nimmt. Untersucht wurde anhand von Wikipedia:Server und [1] zunächst die Anzahl der im System befindlichen Webserver sowie deren Konfiguration. Die Abschätzung stützt sich auf drei Grundlagen:

Bestimmung der energieverbrauchenden Komponenten eines Webservers so wie deren Energieumsatz
Angaben der Serverhersteller hinsichtlich des Energieverbrauches ihrer Geräte.
Auswertung der in [2] genannten Verbrauchswerte

Der Energieaufwand für die notwendige Klimatisierung der Serverfarmen sowie weiterer Hilfsaggregate (in erster Linie die notwendige Klimaanlage und ansonsten die unterbrechungsfreie Stromversorgungen, Notstromaggregate, Blindleistungskompensation, Luftfiltration und Beleuchtung der Anlage) wurde analog zur obigen Studie bestimmt, dass für jede im Serverzentrum umgesetzte Energieeinheit noch einmal die gleiche Energiemenge benötigt wird.

Zu 1.: Als Hauptenergieverbraucher eines Webservers kann man seine CPU ansehen. Pro CPU wird ein Verbrauch zwischen 85 Watt [3] und 110 Watt [4] angegeben. Man kann also ohne weiteres einen Stromverbrauch von 100 Watt pro CPU ansetzen. In den Servern der Wikipedia sind 451 CPUs eingesetzt, die zusammen einen Energieverbrauch von etwa 45 kW haben. Zu einer CPU gehören weitere Gerätschaften wie Lüfter und Speicherbausteine, deren Verbräuche durchaus mit 50 Watt angesetzt werden können, die dann mit 22,5 kW zu Buche schlagen.

Weiterhin gehören zu einer Datenbank wie der Wikipedia auch Festplatten, eine typische Datenbankfestplatte hat einen Verbrauch von 15,3 Watt [5]; bei den 47 Festplatten der Wikipedia summiert sich der Verbrauch auf etwa 720 Watt, was man bei einer überschlägigen Betrachtung wie dieser hier vernachlässigen kann.

Zu jedem Server gehört ein eigenes Netzteil, das ebenfalls einen gewissen Eigenbedarf hat. Geht man von einem Wirkungsgrad des Netzteiles von etwa 80% aus, so ergibt sich ein Energiebedarf der Netzteile zu

(1,0 - 0,8) * 451 * (100 W + 50 W) = 13,5 kW.

In Summe ergibt sich dann nach dieser Rechnung ein Energiebedarf der Wikipedia-Server zu

45 kW + 22,5 kW + 13,5 kW = 81,0 kW

Der gleiche Energiebedarf ist für die Hilfsaggregate anzusetzen, sodass sich etwa 160 kW ergeben.

Zu 2.: Nach Angaben der Hersteller der nachzukaufenden Server [6] liegt ihr Anschlusswert zwischen 670 W und 750 W. Zur Ermittlung des Energiebedarf darf davon ausgegangen werden, dass 25 % als Auslegungsreserve zu gelten haben und man im Mittel mit einem Anschlusswert von 700 W pro Server zu rechnen hat. Somit ergibt sich für die gesamte Wikipedia bei 231 in Betrieb befindlichen und noch 56 zu beschaffenden Servern eine Energiebedarf von

0,7 kW * 0,8 * (231 + 56) = 161 kW

Auch bei dieser Rechnung ist noch einmal der gleiche Wert für die notwendigen Hilfsaggregate anzusetzen.

Zu 3: Die Autoren von Estimating Total Power Consumption By Servers In The U.S. And The World [7] legen für einen in 2005 gebauten Server einen duchschnittlichen Energiebedarf von 218 Watt zu Grunde. Extrapoliert man die angebenen Werte ins Jahr 2007, so ergeben sich 236 Watt pro Server. Für die Wikipedia ergeben sich damit folgende Zahlen:

 225 derzeitig im Einsatz stehende Server
+ 56 in kürze zu beschaffende Server

 281 zukünftig im Einsatz stehende Server

Und damit der Leistungsbedarf:

281 * 236 Watt = 66,3 kW

Auch hier ist noch einmal der gleiche Wert für die Hilfsaggregate anzusetzen.

Alle drei Rechnungen zeigen, wohin die Reise geht: Der Energiebedarf der Wikipidia - Infrastruktur ist im Bereich von einigen 100 kW anzusetzen.

Übertragung der Daten

In der obigen Betrachtung ist noch keinerlei Datentransfer zwischen den Servern der Wikipedia und den Endverbrauchern der Informationen enthalten. Zur Abschätzung dieses Energiebedarfs habe ich die Anzahl der Hops zwischen meinem Rechner und den Servern der Wikipedia stichprobenweise ermittelt. Hier eines der Ergebnisse:

linux:/home/markus # traceroute 66.230.200.100
traceroute to 66.230.200.100 (66.230.200.100), 30 hops max, 40 byte packets
1  * * *
2  217.0.73.102  43.186 ms   44.973 ms   44.805 ms
3  194.25.6.42  144.480 ms   157.888 ms   155.442 ms
4  eqix.asbn.twtelecom.net (206.223.115.36)  145.737 ms   146.881 ms   146.452 ms
5  core-01-ge-0-3-0-1.asbn.twtelecom.net (64.129.249.9)  147.329 ms   146.916 ms   147.614 ms
6  dist-02-so-0-0-0-0.tamq.twtelecom.net (66.192.243.5)  182.304 ms   182.246 ms   182.947 ms
7  66.192.247.243  178.706 ms   179.508 ms   179.285 ms
8  ge8-13.csw5-pmtpa.wikimedia.org (66.193.50.242)  182.679 ms   182.992 ms   183.881 ms
9  rr.pmtpa.wikimedia.org (66.230.200.100)  182.754 ms   182.586 ms   182.521 ms
linux:/home/markus #

An der Übertragung der Datenpakete waren insgesamt 6 Zwischenstationen beteiligt. Geht man davon aus, dass bei jedem Hop die gleiche Anzahl Router wie bei der Wikipedia beteiligt waren (hier: 40 Wikipedia-Router), so wird diese Datenmenge über 240 Router verteilt. Selbstverständlich sind diese 240 Router nicht ständig für die Wikipedia tätig, ein Zeitanteil von 50 % scheint aber angemessen. Somit ergibt sich ein Energiebedarf der Datenübertragung von

0,7 kW * 0,8 * 240 * 0,5 = 67,2 kW

und auch hier noch einmal der gleiche Wert für die notwendigen Hilfsaggregate.

Ergebnisse

Zieht man die Ergebnisse zusammen, so ergibt sich ein gesamter Energiebedarf der Wikipedia im ungünstigsten Falle zu

2 * (161 kW + 67kW) = 456 kW = 0,456 MW

Im günstigsten Falle liegt er etwa 50 % unter diesen 456 kW. In diesen Überlegungen ist noch nicht der Energiebedarf der Endverbraucher mit ihren PCs enthalten. Im Jahr ergibt sich daraus ein Stromverbrauch von

456 kW * 24 Stunden/Tag * 365 Tag/Jahr = 3'994'560 kwh

also ungefähr 4 Millionen kWh. Am Strommarkt wäre diese Energiemenge als Grundlast für 240'000,--EUR zu haben. Interessanter ist allerdings in diesem Zusammenhang der Ressourcenverbrauch. Zur Bereitstellung dieser Energiemenge habe ich den weltweiten Energiemix zu Grunde gelegt: Danach werden weltweit etwa 64 % allen elektrischen Stromes mit fossilen Energieträgern erzeugt, im Wesentlichen in Kohlekraftwerken. Danach sind für den Betrieb der Wikipedia pro Jahr

0,64 * 3'994'560 kwh = 2'556'518 kWh

klimawirksam anzusetzen. Nach einer Beispielrechnung in Diskussion:Kohlekraftwerk werden für diese Energiemenge 767 Tonnen Steinkohle verbrannt, die ihrerseits 2815 Tonnen Kohlendioxid freisetzen. Eine ähnliche Rechnung lässt sich für den nuklearen Abbrand in den Kernkraftwerken ermitteln, der uns als Atommüll noch jahrhundertelang begleiten wird. Ein Anteil von etwa 22% am weltweiten Energiemix wird aus erneuerbaren Energien gewonnen und kann bei der Rechnung unberücksichtigt bleiben.

Aussichten

Der Umfang der Wikipedia als Web 2.0-Medium wird in den nächsten Jahren weiter steigen, so dass auch in der nächsten Zeit mit einem erheblichem Wachstum des Energiebedarfes des Projektes zu rechnen ist. Die Serverhersteller haben ebenfalls das Problem erkannt und bieten mittlerweile energiesparende Geräte an. Es wird naturgemäß aber noch längere Zeit dauern, bis sich diese Neuerung am Markt durchgesetzt hat. Andererseits verzehnfacht sich das abrufbare Datenvolumen der Wikipedia alle zwei Jahre, beziehungsweise verdoppelt sich alle sieben Monate (vergleiche Diagramm rechts), so dass schon mittelfristig zusätzliche Hardware- und Energiekosten auf Wikimedia als Betreiber zukommen werden.

Markus Schweiß, Bochum