Unliebsame Hitze? Data­cen­ter-Abwärme kann ökonomisch funktionieren

Wir hören öfters Sätze wie: „Es fehlt an Abnehmern für die Abwärme aus unseren Rechenzentren“ oder „Die Abwärmenutzung ist im Vergleich zum Einsatz von Erdgas nicht wirtschaftlich“? Wie ist es wirklich um den Business Case der Abwärmenutzung in Deutschland bestellt und wie kann die Abwärmenutzung funktionieren? Tatsache ist: die Konkurrenzfähigkeit ist in vielen Fällen gegeben – der Teufel steckt aber bekanntlich im Detail.

Die zunehmende Digitalisierung, Cloud-Computing und der Einsatz künstlicher Intelligenz sorgen am Markt für Rechenzentren derzeit für gigantische Pläne. Hinzu kommen globale Unsicherheiten, wie durch Schiffsanker durchtrennte Datenkabel oder das Aufbrechen geopolitischer Partnerschaften. Fakt ist: der KI-Boom sowie die globalen Verwerfungen treiben auch in Deutschland den Datacenter-Markt vor sich her - nicht nur hinsichtlich Investitionsvolumina (je nach Quelle rund 30 Milliarden Euro allein in Deutschland bis 2030), sondern auch beim Strombedarf (je nach Forecast zusätzliche 5 bis 15 Terawattstunden (TWh) bis 2030 alleine in Deutschland).

Diese Zahlen machen deutlich, dass es in Zukunft auch ein hohes Potential an zur Verfügung stehender Abwärme aus Datacenter geben wird. Diese Entwicklung wird durch die deutsche Gesetzgebung - Stichwort: Energie-Effizienzgesetz - unterstützt, die Datacenter-Betreiber zur Nutzung der Abwärme verpflichtet, soweit dies technisch und wirtschaftlich zumutbar ist. Dabei sind zukünftig mindestens 10 bis 20 Prozent der Abwärme zu nutzen. Dies stellt die Datacenter-Betreiber vor die Herausforderung, geeignete Abnehmer zu finden.

Durch regulatorische Vorgaben, wie etwa den EU Green Deal (siehe: „Die Nachhaltigkeitspläne der EU für die ITC-Branche; Spätestens im Jahr 2030 sollen Rechenzentren klimaneutral sein“, und der vermehrten Nachfrage von Stakeholdern nach klimaneutralen Produkten/klimaneutraler Fernwärme bestehen bereits konkrete Anreize zur Nutzung der Abwärme.

Die Nachhaltigkeitspläne der EU für die ITC-Branche

Spätestens im Jahr 2030 sollen Rechenzentren klimaneutral sein

Obendrein lassen sich Kühlkosten (einer der wesentlichen Stromverbraucher im Datacenter) durch innovative Abwärmenutzung deutlich einsparen. Somit besteht das Potential einer Win-Win-Situation zwischen Datacenter-Betreibern, Unternehmen und kommunalen Energiedienstleistern, die ihren Anteil an fossilen Energieträgern reduzieren und dem Ziel der Klimaneutralität näherkommen.

Das Konzept hinter der Abwärmenutzung

Wie die Abwärme von Rechenzentren konkret genutzt werden kann, hängt in hohem Maße von folgenden Punkten ab:

• Temperaturniveau der Datacenter-Abwärme

• Auskoppelbare Wärmemenge und Jahresverlauf beim Bedarf

• Flexibilitätspotenziale

• Energiepreise alternativer Energieträger

Das Temperaturniveau

Die Ausgangstemperatur der Abwärme entscheidet maßgeblich darüber, ob sich die Abwärme wirtschaftlich nutzen lässt. Vereinfachend kann zwischen luft- und flüssigkeitsgekühlten Rechenzentren unterschieden werden. Die Ausgangstemperatur von luftgekühlten Datacenter beträgt in der Praxis,bhängig von der Jahreszeit, um die 25 Grad. Dies ist zur Einspeisung in konventionelle Fernwärmesysteme deutlich zu niedrig.

Die Hebung der Temperatur auf die in der Regel erforderlichen 55 bis 120 Grad ist technisch mit modernen Wärmepumpen zwar machbar, aber wirtschaftlich oftmals nicht sinnvoll. Aus Sicht der Abwärmenutzung interessanter sind flüssigkeitsgekühlte Datacenter (auch „liquid cooling“ genannt), die deutlich höhere Abwärmetemperaturen von über 45 Grad aufweisen können.

In diesem Artikel geht es primär um die Abwärmenutzung aus flüssigkeitsgekühlten Datacenter, da es einen klaren Trend in diese Richtung gibt. Die Abbildung 1 unten zeigt Beispiele möglicher Anwendungsfelder für die Abwärme aus klassisch luftgekühlten und flüssigkeitsgekühlten Datacenter.

Großes Potenzial sehen besteht vor allem in den Bereichen, wo keine oder eine geringe Hebung der Temperatur mittels Wärmepumpe notwendig ist. Besonders hervorzuheben sind Anwendungen in der Landwirtschaft (Gewächshäuser), Herstellung von Nahrungsergänzungsmitteln (Fermentation und Bioreaktoren) und Niedertemperatur-Wärmenetze.

Die günstige Wärmeversorgung lässt dabei auch die gezielte Ansiedlung von Wärme-Abnehmern in ein interessantes Licht rücken. Auch Betriebe, bei denen die Wärmebereitstellung einen großen Teil der Betriebskosten ausmachen, wie Schwimmbäder, Gewächshäuser und Wäschereien, können von der Abwärmenutzung stark profitieren.

Auskoppelbare Wärmemenge und Jahresverlauf

Durch den 24/7-Betrieb von Datacenter wäre ein Match mit einem ganzjährigen Abnehmer der Wärme ideal. Genau hier bestehen jedoch in der Praxis die größten Herausforderungen. So besteht nur in wenigen Wärmenetzen während der Sommermonate tatsächlich Bedarf an der Abwärme eines Rechenzentrums, geschweige denn eines Hyperscalers. Sollte die Abwärmetemperatur dann auch noch unter 30°C liegen, schließt sich der wirtschaftlich darstellbare Lösungsraum weiter.

Zur Unterstützung von Lastspitzen im Fernwärmenetz an sehr kalten Tagen kann sich die Abwärme unter Einsatz einer von Wärmepumpen wiederum sehr gut eignen. Die ganzjährige Nutzung als Grundlastquelle entfällt in diesem Fall jedoch. Detailfragen müssen jedenfalls projektspezifisch geklärt werden.

Die Flexibilitätspotenziale

Wie eben angesprochen, muss die Abwärmenutzung immer gesamtheitlich betrachtet werden. Konkret heißt das, die Anforderungen aller Stakeholder zu kennen und sich ergebende Flexibilitätspotentiale zu nutzen und in Projekten einzuplanen. Wie in Abbildung 2 dargestellt, kann es sich dabei z.B. um Wärmespeicher handeln, die auch in Falle von vorübergehend geringerer Abwärmeleistung des Datacenters einen Betrieb des Fernwärmenetzes gewährleisten.

Beim Einsatz von Wärmepumpen kann durch flexiblen Einsatz, beispielsweise ein geringer Strompreis, optimal zum Aufheizen des Speichers genutzt werden. Weiter Möglichkeiten zum optimierten Betrieb des Datacenter und der Abwärmenutzung ergeben sich aus innovativen Optionen zur Bereitstellung der Unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) des Datacenters.

Hierzu kommen erste interessante Konzepte in die Umsetzung, etwa Batteriespeicher oder Gas- und Wasserstoffmotoren. Dieses ermöglichen unter anderem eine aktive Teilnahme am Strommarkt und damit Kosteneinsparungen für alle Seiten.

Energiepreise alternativer Energieträger

Die Abwärmenutzung von Rechenzentren steht in direkter Konkurrenz zu alternativen Wärmequellen, wie Erdgas, Elektrokessel, Biomasse und erneuerbaren Gasen, zum Beispiel Biomethan. Für den Betrieb von Wärmepumpen zur Hebung der Abwärmetemperatur spielt vor allem der Strompreis eine große Rolle, der zudem von regionalen Gegebenheiten abhängig ist. Beispielsweise fragt sich ob die gerade in Deutschland hochpreisigen Netzgebühren durch ein eigenes PV- und Windkraftwerk vor Ort umgehen oder reduzieren lassen. (siehe: „Neue Wege in der Energieversorgung von Datacenter; Durchgerechnet: Photovoltaik für Rechenzentren“) Darüber müssen auch künftige Strompreisschwankungen berücksichtigt werden.

Diese Schwankungen betreffen aber auch viele alternative Energieträger, wie Erdgas und Biomasse. Gerade in den letzten Jahren haben wir erhebliche Preisschwankungen bei den meisten Energieträgern gesehen.

Auch Prognosen zu zukunftsträchtigen Energieträgern, wie Wasserstoff, mussten in denVergangenen Jahren mehrmals nach oben korrigiert werden. Diese Unsicherheiten gilt es abzubilden, damit der Business Case der Abwärmenutzung für alle Beteiligten auch bei einem womöglich höheren Strompreis noch funktioniert.

Ist die Abwärmenutzung in Deutschland wirtschaftlich?

Die Abwärmenutzung macht nur dann Sinn, wenn sie auch wirtschaftlich konkurrenzfähig zu anderen Technologien ist. Wie oben erwähnt spielt dabei das Temperaturniveau, das erreicht werden soll, eine zentrale Rolle, ebenso wie die Preise der Energieträger und Investitionskosten für deren Einsatz. Um ein Bild zu bekommen, wann die Abwärmenutzung Sinn machen kann, haben wir die wichtigsten Wärmeerzeugungsoptionen, die uns in Europa zur Verfügung stehen miteinander verglichen.

Die genauen Kosten lassen sich nur projektspezifisch festmachen. Unsicherheiten bezüglich zukünftiger Preisentwicklungen und Investitionskosten wurden miteinbezogen. Als Resultat können wir eine Bandbreite angeben, in der die Wärmegestehungskosten in etwa liegen werden. Abbildung 3 zeigt den Vergleich der unterschiedlichen Technologien bei einer Abwärmetemperatur von 55 Grad.

Aus der Abbildung 3 ist ersichtlich, dass die Abwärmenutzung insbesondere bei niedrigen Temperaturanforderungen wirtschaftlich ist. Der Einsatz von Wärmepumpen verringert die Konkurrenzfähigkeit bereits, bedingt durch die hohen Investitionskosten und Betriebskosten für Strom.

Erdgas ist eine der günstigsten Alternativen, mit der sich auch hohe Temperaturen problemlos realisieren lassen; bei steigenden Gaspreisen und CO₂-bezogenen Zusatzkosten kann sich das Blatt jedoch wenden.

Biomasse ist ebenfalls eine gangbare Option für Temperaturen ab 70 Grad. Biomethan ist als potentiell klimaneutrales Gas interessant und von den Preisen her konkurrenzfähig.

Der Elektrokessel ist im Vergleich zur Abwärmenutzung durch die hohen Strompreise in Deutschland unwirtschaftlich. Selbiges gilt für Wasserstoff mit seinen hohen Gestehungskosten. Es zeigt sich also, dass die möglichen Kosten der einzelnen Optionen stark von den Gegebenheiten vor Ort und Entwicklungen der Energiepreise und der CO₂-bezogenen Kosten abhängen.

Abbildung 4 zeigt deutlich, welche Faktoren die Kosten für die Abwärmenutzung am stärksten beeinflussen. An erster Stelle stehen die Investitionskosten (CAPEX) für die Wärmepumpe. Darauf folgen die Stromkosten (inkl. Netzgebühren). Die Notwendigkeit eine Wärmeleitung zu verlegen kann sich ebenfalls auf die Kosten auswirken.

Je umfangreicher die Investition der Wärmepumpe genutzt werden kann, desto eher amortisieren sich die Investitionskosten. Daher wirkt sich eine umfassende Nutzung positiv auf die Kosten je MWh aus. Unsicherheiten bezogen auf die Höhe von Investitionskosten pro Meter Wärmeleitung, der Betriebskosten oder der Lebensdauer der Wärmeleitung haben nur geringe Auswirkungen auf die Wärmegestehungskosten. Das Hauptaugenmerk sollte daher auf geringen Investitionskosten für die Wärmepumpe und geringe Stromkosten liegen.

Von groben Bandbreiten zum belastbaren Business Case

Die Bandbreite der Annahmen im Beispiel oben sind großzügig gewählt, entsprechen aber der Realität. Im konkreten Einzelfall lassen sich die Werte üblicherweise eingrenzen und das Bild wird klarer, welche Option aus wirtschaftlicher Sicht zur bevorzugen ist.

Am Beispiel der Stromkosten lässt sich das darstellen. Diese sind zwar abhängig vom Marktpreis; im Falle eines Power-Purchase-Agreements (PPAs) mit einem Kraftwerk in der Nähe des Datacenter können aber Strom- und Netzkosten eingespart werden. Durch Einholung eines Angebots für eine konkrete Wärmepumpenlösung lässt sich andererseits die Unsicherheit bezüglich des CAPEX für die Wärmepumpe reduzieren.

Gleichzeitig lassen sich Unsicherheiten nie vollständig minimieren. Eben deshalb ist ihre Einbeziehung so wichtig. Wir sehen beispielsweise durch die Ausweitung des Emissionshandels in Deutschland und Pläne der neuen Koalition zur Verringerung der (Industrie-)Strompreise Tendenzen, die in jedem Business Case abgebildet sein sollten. Erst nach Einbeziehung der Unsicherheiten lassen sich belastbare Investitionsentscheidungen treffen, die künftigen Eventualitäten standhalten.

Fazit

Die Datacenter-Branche in Deutschland boomt. Strom wird zunehmend zur Mangelware, weshalb eine sinnvolle Nutzung der Abwärme ein Gebot ganzheitlich gedachter Energieeffizienz ist. Die Abwärmenutzung eröffnet zudem Möglichkeiten die Betriebskosten zu senken und gleichzeitig einen Mehrwert für Betriebe und Kommunen vor Ort zu schaffen. Wir sehen insbesondere im Bereich der Niedertemperatur, on dem kein Einsatz von Wärmepumpen nötig ist, neue Anwendungsfelder außerhalb der kommunalen Wärmeversorgung, wie bei Gewächshäusern oder Bioreaktoren.

Das Potential ist jedenfalls enorm, die Regulatorik stützt die Investitionen und damit können Datacenter einen wertvollen Beitrag zur Dekarbonisierung anderer Sektoren beitragen. Gleichzeitig muss die Wirtschaftlichkeit der Abwärmenutzung immer im Einzelfall geklärt werden. Eines gilt jedoch immer: je geringer die Stromkosten und je kleiner die Temperaturdifferenz, die die Wärmepumpe heben muss, desto besser.

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