Kälte für die Datacenter und Wärme für Haushalte und ganze Kommunen Konzepte für kalte Wärmenetze und Eisspeichertechnik aus Friedrichshafen

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Energie freisetzende Phasenwechsel zwischen flüssigem Wasser und Eis lässt sich für dir Server-Kühlung und den Abtransport von Abwärme aus dem Rechenzentrum nutzen. Dazu ein Interview.

Spätestens mit dem Inkrafttreten des neuen Energie-Effizienzgesetzes zum 1. Januar 2024 ist Schluss mit lustig – die Datacenter-Branche wird verpflichtet, ihre Abwärme auszukoppeln und für anderweitige Nutzung zur Verfügung zu stellen.

Als Pferdefuß gilt: Bei gängigen, luftgekühlten Rechenzentren liegt das Temperaturniveau der auszukoppelnden Abwärme bei rund 30 Grad Celsius. Das machte in Deutschland eine wirtschaftliche Weiternutzung bislang nur in einigen wenigen Pilotprojekten im Rahmen von Nahwärmekonzepten möglich.

Dass Niedertemperaturabwärme mithilfe so genannter kalter Nahwärmenetze und der Eisspeichertechnologie im Zuge neuer gesetzlicher Vorgaben und stetig ansteigender CO₂-Besteuerung auch im Datacenter-Umfeld wirtschaftlich genutzt werden kann, davon zeigt sich Alexander von Rohr, der Geschäftsführer der Caldoa GmbH in Friedrichshafen, im Hintergrundgespräch mit Harald Lutz fest überzeugt.

Sie rühren aktuell auf Roadshows die Werbetrommel für den Aufbau von sog. „kalten Wärmenetzen“ und der Eisspeichertechnologie. Inwieweit können diese Technologien, die man überwiegend aus dem privaten Häuslebau kennt, der Datacenter-Branche weiterhelfen?

Alexander von Rohr: Unsere Technik ist praxisreif. Wir unterstützen damit bereits das eine oder andere Rechenzentrum aktiv bei der Serverkühlung. Hierbei sprechen wir nicht von Hunderten Megawatt, sondern von 150 bis 500 kW Kühlleistung, die an den Servern benötigt werden. Technisch macht das keinen Unterschied. Das System lässt sich skalieren.

Bezogen auf den Einsatz im Rechenzentrum stellen wir uns aber perspektivisch den Aufbau eines kalten Wärmenetzes als Ringleitung vor: An der einen Seite hängt das Datacenter und an der anderen Seite sind die Endverbraucher angeschlossen. Das Netz selbst wird mit Wasser auf Erdreichtemperatur betrieben.

Auf der Seite der Endverbraucher zieht zum Beispiel ein kommunales Wohnquartier mit vielen kleinen Wärmepumpen die Energie aus dem 10 bis 12 Grad warmen Wasser und nutzt sie zum Heizen. Dabei kühlt sich das Medium auf etwa 6 Grad Celsius ab, geht wieder in den Kreislauf ein und fließt zurück zum Rechenzentrum.

Dort nimmt es die bei gängiger Luftkühlung anfallende 30-Grad-Abwärme auf. Das Rechenzentrum zu kühlen, heißt bei uns, dass es mit einem Kaltwasserstrom gekühlt wird, der aus dem Quartier zurückkommt und ohnehin erwärmt werden muss. In einem solchen Kreislauf entsteht für Datacenter ein Doppelnutzen: Sie liefern zum einen die notwendige Wärme in das System, um das Wasser von 6 Grad wieder auf 10 Grad zu erwärmen. Zum anderen können sie auf diese Weise ihre Server kühlen, ohne zusätzliche Energie für Kältemaschinen aufwenden zu müssen.

Werden mit Ihrem Ansatz Kältemaschinen im Rechenzentrum zukünftig komplett überflüssig?

Alexander von Rohr: Wir sprechen von einem zusätzlichen Effekt: Jedes Rechenzentrum ist hochsensibel und muss Kälteleistung auch in redundanter Form zur Verfügung stellen. Darum existieren vor Ort meist mehrere unabhängige Kältemaschinen und Kältesysteme parallel.

Die Redundanz kann entweder über eine klassische Kältemaschine oder alternativ auch über einen so genannten Eisspeicher, der auf oder unmittelbar vor dem Rechenzentrum vergraben wird, gewährleistet werden. Dieser Eisspeicher hat nur eine einzige Aufgabe: das gesamte Jahr über komplett vereist zu sein. Er ist ausschließlich für Not-fälle vorgesehen und so ausgelegt, dass das Rechenzentrum im Fall der Fälle bis zu 72 Stunden gekühlt werden kann. Die Größe des Eisspeichers wird entsprechend der abzutransportierenden Abwärme ausgelegt.

Neben den kalten Wärmenetzen nimmt die Eisspeichertechnologie bei Caldoa einen zentralen Stellenwert ein ...

Alexander von Rohr: Wenn die Eisspeichertechnik nur zur Redundanz der Kühlungssicherheit aufgebaut werden soll, reicht dem Datacenter ein einzelner Eisspeicher. In diesem Szenario wird auch kein zusätzliches kaltes Wärmenetz benötigt. Der Eisspeicher fungiert dabei wie ein Gletscher im Vorgarten und wartet, bis ein Notfall eintritt.

Für das Szenario einer Abwärmenutzung benötigt das Unternehmen neben einem Abnehmer für seine Abwärme auch eine kalte Nahwärmeleitung, zum Beispiel zum Wohnquartier auf der Straßenseite gegenüber oder alternativ zum vorhandenen Fernwärmenetz der Kommune. Für die Kühlung und den Abtransport dieser Wärme wird gegebenenfalls ein zweiter Eisspeicher als Schnittstelle benötigt.

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Datacenter-Erweiterung mitsamt Eisspeicher, Abwärmenutzung und viel Rechen-Power

Können Sie vor allem den Prozess der Abwärmenutzung noch etwas verdeutlichen?

Alexander von Rohr: Gerne. Wenn vor Ort noch nichts vorhanden ist, dann empfehlen wir, wie bereits eingangs ausgeführt, den Aufbau eines kalten Nahwärmenetzes (inklusive Eisspeicher) als Ringleitung, und das ist auch schon alles.

Sollte in der entsprechenden Kommune bereits ein klassisches Fernwärmenetz vorhanden sein, das üblicherweise mit Temperaturen zwischen 70 und 100 Grad arbeitet, dann können wir unser kaltes Netz über eine Schnittstelle an das heiße Fernwärmenetz der Kommune anschließen und diese Wärme übertragen. Am Übergang arbeitet eine Hochtemperaturwärmepumpe, die sich die Energie ressourcenschonend aus dem kalten Netz zieht; das heißt: Wärme auf der kalten Seite mit Temperaturen zwischen 10 und maximal 15 Grad wird genutzt, um auf der warmen Seite bis zu 100 Grad zu liefern.

Wir schieben damit Energie aus einem kalten Netz in ein bestehendes heißes Netz. Nicht zu vernachlässigen: Mit unserem Ansatz tragen wir auch dazu bei, bestehende Fernwärmenetze zu dekarbonisieren. Heiße Netze werden heute überwiegend noch mit fossilen Brennstoffen versorgt und müssen ohnehin innerhalb gesetzlich festgelegter Fristen dekarbonisiert werden.

Am Aufheizen von Niedertemperaturabwärme auf ein verwertbares Niveau scheiden sich bislang die Geister. Die meisten Betreiber haben solche Ansätze stets als unwirtschaftlich verworfen ...

Ein neues Bild der Wirtschaftlichkeit

Alexander von Rohr: Sie haben völlig recht: Bislang war es nicht sehr wirtschaftlich, Niedertemperaturabwärme auf verwertbare 65 bis 100 Grad aufzuheizen. Für den Einsatz einer Hochtemperaturwärmepumpe muss auch Strom aufgewendet werden. In der Regel muss man eine Einheit Strom einsetzen, damit drei Einheiten Wärme auf hohem Temperaturniveau in das Fernwärmenetz eingespeist werden können. Das hat aber einen entscheidenden Vorteil: Diese Energie ist dann komplett CO₂-neutral!

Zusammen mit den Vorgaben durch das neue Energie-Effizienzgesetz wirft vor allem der Aspekt zunehmender CO₂-Besteuerung und der gesetzlichen Auflagen in puncto Dekarbonisierung mittlerweile ein völlig neues Licht auf die Wirtschaftlichkeit unseres Ansatzes. Zum einen gibt es heute einen gewissen Druck, endlich einiges anpacken zu müssen, was in der Vergangenheit in Deutschland lange vernachlässigt wurde, etwa Abwärme zur Verfügung zu stellen oder die Dekarbonisierung der kommunalen Fernwärmenetze voranzutreiben. Wenn jetzt auch noch günstig grüner Strom eingekauft werden kann oder Rechenzentren die Möglichkeit nutzen, Fotovoltaikanlagen auf ihren Dächern zu installieren und damit die Wärmepumpen mit eigenem Strom zu speisen, wird unser Konzept zunehmend wirtschaftlicher – in vielen Fällen ist es das bereits heute.

Derzeit entstehen den Rechenzentrumsbetreibern noch Kosten, um überschüssige Abwärme zu vernichten; zukünftig kann sie verkauft werden. Realistisch ist es aus unserer Sicht, dafür 2 bis 3 Cent pro Kilowattstunde am Markt zu verlangen und auch zu bekommen.

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Der von Ihnen geforderte Ausbau und die Erneuerung von Nah- und Fernwärmenetzen liegt in aller Regel bei den Kommunen. Da müssten Interessenten gegebenenfalls dicke Bretter bohren ...

Alexander von Rohr: Unser Ziel ist es, mit den örtlichen Stadtwerken und Kommunen die notwendige Verknüpfung auf den Weg zu bringen. Stadtwerke und Energieversorger, die heute Gasnetze betreiben, sind sich durchaus dessen bewusst, dass ihr angestammtes Geschäftsmodell zunehmend wegbricht. Wir registrieren daher ein großes Interesse am Aufbau kalter Wärmnetze, zumal sie technisch genauso wie die Gasnetze durch die Verlegung von Polyäthylenleitungen realisiert werden.

Sollten die Versorger aber nicht von sich aus aktiv werden und bis hin zum Verbraucher oder dem Übergang zum Fernwärmenetz ein Stück kaltes Nahwärmenetz legen, so ist es für einen Datacenter-Betreiber sicher vertretbar, in einen (zweiten) Eisspeicher und in ein kleines Stück kaltes Wärmenetz zu investieren. Für die Zukunft wünschen wir uns, dass kalte Wärmenetze und Eisspeicher bereits bei der Rechenzentrumsplanung vermehrt berücksichtigt werden.

Über die Caldoa GmbH

Die Caldoa GmbH wurde 2016 in Friedrichshafen am Bodensee von Alexander von Rohr gegründet und hat sich der Speicherung von Wärme- und Kälte-Energie im Phasenwechsel von Wasser zu Eis verschrieben. Obwohl noch jung an Jahren, verfügt das Unternehmen gleichwohl über rund 20 Lenze Erfahrung am Markt.

Hintergrund: Das Start-up und die zugrunde liegende Basistechnologie gehen auf die ebenfalls von Alexander von Rohr gegründete Isocal Heizkühlsysteme GmbH zurück, die mittlerweile von der Viessmann Group übernommen wurde. Der Pionier hatte 2004 die so genannte Eisspeichertechnik mit dem Ziel, Heizanwendungen und Alternativen zur Geothermie zu schaffen, als erstes Unternehmen überhaupt auf den Markt gebracht.

Vor dem Hintergrund eines sich ständig verändernden und weiterentwickelnden Marktes hat der Gründer und Geschäftsführer im Laufe des Jahres 2015 beschlossen, sich über die Gründung der Caldoa GmbH mit einem technologisch verwandten Ansatz neu aufzustellen. Von Rohr: „Wir verkaufen heute nicht mehr nur Eisspeicher, sondern entwickeln und realisieren komplette Konzepte.“ Dafür haben die Friedrichshafener das sensible Thema Regelungstechnik (Schaltschrankbau) in ihr Portfolio eingebunden. Erklärtes Ziel ist es, ein komplett in sich geschlossenes System schnittstellenübergreifend anzubieten und schlüsselfertig auszuliefern.

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