Kühles Kalkül Das Geschäft mit der Abwärme

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Bahnbrechende grüne Technologien, ausgeklügelte Energie-Rückgewinnungssysteme und metrikgesteuerte Ansätze zur Überwachung und Optimierung des IT-Betriebs treffen auf neue Ideen rund um die Wiederverwertung der Datacenter-Abwärme. Was unterm Strich dabei herum kommt, ist schwer abzuschätzen.

Nach Angaben der Internationalen Energieagentur dürfte die KI-Industrie bis zum Jahre 2026 exponentiell wachsen und gegen Ende des Prognosezeitraums mindestens das Zehnfache des Strombedarfs des Jahres 2023 verbrauchen. Etwas muss getan werden.

Für Kim Fausing, Präsident und CEO bei Danfoss, stellt die Nutzung der Abwärme nicht nur eine dringend erforderliche und verkannte Maßnahme im Blick auf die aktuelle Energiekrise dar, sondern so etwas wie die tragende Säule der nächste Stufe der Energiewende. Die globale Energiekrise sei aus seiner Sicht „ein Weckruf, die Energieverschwendung zu stoppen“.

Aktuellen Schätzungen zufolge entsteht EU-weit ein Wärmeüberschuss von 2.860 TWh/Jahr – das entspricht nahezu dem gesamten Energiebedarf des Wirtschaftsraums für Wärme und Warmwasser in Wohn- und Dienstleistungsgebäuden, rechnen Marktforscher des dänischen Technologiekonzerns

Danfoss vor. Sollte es gelingen, Technologien zur Sektorenkopplung und Abwärmenutzung bis 2050 umzusetzen, ließen sich auf diesem Wege jährlich 67,4 Milliarden Euro einsparen, rechnen die Analysten des führenden Anbieters von Energieeffizienzlösungen vor.

Laut einer Studie von ReUseHeat im Auftrag der Europäischen Union könnten Rechenzentren im europäischen Maßstab bis zu 50 Terawattstunden überschüssige Wärme pro Jahr liefern und damit zwei bis drei Prozent des Bedarfs der Gebäudeheizung von Haushalten ausgleichen. Allerdings hat die Rechenzentrumsabwärme aufgrund der niedrigen Temperaturen nur mäßige Attraktivität. Ältere Fernwärmenetze können damit nichts anfangen.

Wärmenetze und „kalte Füße“

Im Gegensatz zu guten Vorsätzen sind Wärmenetze in Deutschland bisher eine Rarität. Bis diese Infrastrukturen bereitstehen, könnte laut Dr. Ralph Hintemann, Forscher am Borderstep Institut für Innovation und Nachhaltigkeit, noch mindestens ein Jahrzehnt vergehen. Andere EU-Staaten sind schon ein gutes Stück weitergekommen.

In Stockholm, dem Musterknaben der Wärmerückgewinnung, können sich Rechenzentren bereits seit 50 Jahren an ein heute 3.000 Kilometer langes Wärmenetz anbinden und dessen wohlgemerkt konstanten Bedarf das ganze Jahr über versorgen.

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An vielen bestehenden Datacenter-Standorten Deutschlands gebe es im Gegensatz dazu nicht nur kein Netz, sondern auch keine Abnehmer, so Hintemann. Das Wärmenetz in Frankfurt am Main, dem Sitz des weltweit größten Internetaustauschknotens, bringt es gerade einmal auf eine Gesamtlänge von etwa 300 Kilometern und hat im Sommer kaum willige Empfänger.

Durch die konsequente Nutzung der Rechenzentrumsabwärme könnten im Jahre 2030 in Frankfurt am Main sämtliche Wohn- und Büroräume klimaneutral geheizt werden, rechnet die Allianz zur Stärkung digitaler Infrastrukturen in Deutschland vor.

In Frankfurt am Main gibt es bereits ein Fernwärmenetz, das sich über große Teile der Innenstadt und weitere Zentren nördlich und südlich des Mains ausstreckt. Das Netz deckt derzeit etwa 25 Prozent des Wärmebedarfs der Stadt ab.

Die Stadt Frankfurt am Main hat vor einigen Jahren einen Masterplan für Rechenzentren entwickelt, in dem stadtplanerische Vorgaben mit Nachhaltigkeitsanforderungen zusammenfließen. Der Masterplan koppelt die Zulassung neuer Rechenzentren mit Anforderungen wie der Einhaltung wünschenswerter PUE-Werte und der Nutzung von Abwärme für städtische Wärmenetze.

Die Mainova AG, ein Energieversorger in Frankfurt, plant, bis zum Jahre 2040 die gesamte Fernwärmeerzeugung auf klimaneutrale Wärmequellen umzustellen und das Fernwärmenetz um bis zu 450 km zu erweitern. Bereits versorgte Gebiete sollen von einer Verdichtung profitieren.

„Schon heute könnte in der Stadt Frankfurt a.M. theoretisch mehr als 20 Prozent des Wärmebedarfs für Haushalte, Gewerbe, Handel und Dienstleistungen durch Rechenzentren gedeckt werden,“ glaubt Dr. Ralph Hintemann vom Borderstep Institut. Allein im Stadtgebiet von Frankfurt am Main stieg der Stromverbrauch der großen Rechenzentren zwischen den Jahren 2017 und 2022 um fast 130 Prozent auf knapp 2,4 Mrd. Kilowattstunden. Diese Energiemenge würde ausreichen, um etwa 100.000 Wohnungen mit Wärme zu versorgen, erläutert Dr. Hintemann.

In der Tat: Einige Colocation-Anbieter eilten mit gutem Beispiel voraus. Das Rechenzentrum von Telehouse in Frankfurt beheizt das benachbarte Wohnviertel "FRANKY" über ein Fernwärmenetz. Das Rechenzentrum ist strategisch günstig gelegen: in einer Entfernung von bloß 2,9 Kilometern vom Stadtzentrum von Frankfurt am Main. Das Gelände erstreckt sich über 67.000 Quadratmeter mit voll ausgestatteter Colocation-Fläche von 25.000 Quadratmetern. Die Abwärme erreicht eine Temperatur von 30 bis 35 Grad Celsius.

Equinix hat ein Wärmerückgewinnungsprogramm für seine hochverdichteten IBX-Rechenzentren entwickelt. Aktuell wird im Jahr 2024 in Deutschland ein Pilotprojekt in Frankfurt umgesetzt, bei dem überschüssige Wärme aus einem der größten Equinix-Rechenzentren ein benachbartes Wohngebiet beheizt. Ab 2025 sollen rund 1.000 Haushalte überschüssige Abwärme aus lokalen Equinix-Rechenzentren kostenfrei erhalten.

Laut einer Analyse der German Data Centers Association sind etwa 28 Prozent der Colocation-Rechenzentren in der Lage, ihre Restwärme in vorhandene Wärmenetze einzuspeisen. 31 Prozent von Colocation-Betreibern würde aktuell in entsprechende Technologien investieren. Im Segment der Enterprise-Rechenzentren sei der Anteil der Einrichtungen mit betriebsfähiger Wärmerückgewinnung deutlich geringer.

Distanziert

Die Notwendigkeit der Integration von Rechenzentren in städtische (Fern)wärmenetze geht mit nicht zu unterschätzenden Herausforderungen einher, insbesondere was die geographische Distanz zu potenziellen Abnehmern anbetrifft, so die Analysten der German Data Centers Association in dem Bericht "Data Center Impact Report Deutschland 2024".

Die Machbarkeit bestimmter Einsatzszenarien steht und fällt mit der Qualität der Abwärme, sprich: mit der Temperatur des Energieträgers. Laut Angaben des RZ-Ausrüsters Submer ist die Umsetzung typischer Anwendungsfälle davon abhängig, ob das Wasser das optimale Temperaturniveau am nachgelagerten Ort der Energieverwertung einhalten kann, konkret:

• Strahlungsbodenheizsysteme: 35-45°C

• Luftheizsysteme: 50-60°C

• Warmwasseranwendungen: 60-70°C

• Fernwärme: 70-110°C / 158-230°F

• Industrielle Prozesse haben variable Anforderungen.

Bloß keine Luftnummer

Die steigende Leistungsdichte der Unternehmens-IT und die regulatorische Anhebung der Betriebstemperaturen dürften „das richtige Klima“ für die Energierückgewinnung aus RZ-Abwärme schaffen.

Hochverdichtete, massiv skalierbare KI/ML-Arbeitslasten rufen die Flüssigkühlung auf den Plan. Ansätze wie die immersive Flüssigkühlung (oder eine Wärmepumpe, sofern überhaupt wirtschaftlich tragfähig) können die Qualität der Abwärme aufbessern. Bei der Flüssigkühlung von Servern erwärmt sich das Wasser auf bis zu 60 Grad Celsius – bereits ganz brauchbar für Nähwärmenetze.

Fernwärmenetze haben im Gegensatz dazu Vorlauftemperaturen von 100 bis 110 Grad Celsius. Moderne Heiztechnik und neue Dämmstandards im Gebäudebestand dürften laut Prognose des Borderstep Instituts in den kommenden Jahren eine Absenkung dieser Temperaturen ermöglichen.

Die Gratwanderung zwischen WUE und PUE

Maßnahmen zur Wärmerückgewinnung und -kopplung stellen oft ein Kompromiss zwischen der Reduktion des Wasserverbrauchs (Water Usage Efficiency, WUE) und der Erhöhung der Energieeffizienz (Power Usage Efficiency, PUE) dar. Ein ausgewogenes Energiemanagement erfordert ein geschicktes Ausbalancieren beider Effizienzindikatoren. Das Aufkommen von KI/ML beschleunigt den Übergang zu neuen Datenverarbeitungskonzepten, die Leistungsaufnahme pro Rack um den Faktor 10X und mehr anheben (100 kW, 300kW und sogar 500 kW sind keine Seltenheit mehr).

Diese hochverdichteten Systemarchitekturen erfordern signifikante Modifikationen der Gebäudetechnik in Rechenzentren. Analysten erwarten eine abrupte Umstellung vieler Facilities auf Flüssigkeitskühlung, insbesondere Immersionskühlung. Die Restwärme dürfte dann plötzlich höhere Temperaturen – zwischen 40 und 60°C – erreichen. Zum Vergleich: Die IT-Hardware in den Tanks von Submer erreicht Betriebstemperaturen in Höhe von 55 °C.

Das vollständige Eintauchen von Recheneinheiten in einem Kühlmittel maximiert das Potenzial der Wärmerückgewinnung und damit die Energieeffizienz, aber es ist nicht ohne. Die Herausforderungen beinhalten die Abstimmung der Schränke auf die Tragfähigkeit der Gebäudekonstruktion (Stichwort: Doppelböden), Prozessintegration, Medienkompatibilität des Kältemittels mit der Kälteanlage, Garantieleistungen, Wartung und Support.

Des Weiteren sind physische Modifikationen von RZ-Gebäudetechnik erforderlich. Die Technikräume nehmen gegenüber der Datenverarbeitungsfläche zu. Konventionelle Punkt-zu-Punkt-Verkabelung muss strukturierter Verkabelung weichen. Zusätzlich gewinnen Aspekte wie der Wasserverbrauch, nachhaltige Bauweisen und das Konzept der Sektorenkopplung an Bedeutung, frei nach dem Motto: „gemeinsam durch Dick und Dünn“.

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