Abwärmenutzung aus Rechenzentren Mit Bytes2Heat die Wärmewende vorantreiben

Von IER & IVR / IWN / Deneff

Rechenzentren können als Rückgrat der Digitalisierung in den Energiesystemen und den Anwendungen im Bereich der Industrie einen großen Beitrag zu Effizienzsteigerungen und Energie-Einsparungen leisten.

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Die Abwärmenutzung gewinnt für Rechenzentren zunehmend an Bedeutung.
Die Abwärmenutzung gewinnt für Rechenzentren zunehmend an Bedeutung.
(Bild: kewl / Pixabay )

Auch durch den Ausbau von Glasfaseranschlüssen, 5G-Mobilnetzen, Online-Angeboten und dem starken Wachstum von IoT-Anwendungen haben Rechenzentren eine enorme, wachsende Bedeutung in Gesellschaft und Wirtschaft. Dadurch sind wir auf immer mehr Rechenzentren angewiesen, welche entsprechend mehr Strom benötigen.

Bereits 2015 lag der Strombedarf deutscher Rechenzentren bei etwa 12 Milliarden Kilowattstunden. Das sind mehr als zwei Prozent des gesamten deutschen Strombedarfs. Wie in Abbildung 1 zu sehen, ist tendenziell mit einem weiteren Anstieg zu rechnen, wobei Schätzungen zufolge der Stromverbrauch von Rechenzentren bis 2025 um 30 Prozent ansteigen könnte. Zwar wurden Rechenzentren in den letzten Jahren durch moderne IT-Hardware und Kühlungskonzepte effizienter, diese konnten aber mit den Wachstumsraten der Rechnerkapazitäten nicht mithalten.

Abbildung 1: Weltweiter Stromverbrauch von Rechenzentren ab 2000 mit einem Ausblick auf verschiedene Szenarien ab 2019.
Abbildung 1: Weltweiter Stromverbrauch von Rechenzentren ab 2000 mit einem Ausblick auf verschiedene Szenarien ab 2019.
(Bild: Turek, D.; Radgen, P.: Drivers for future data centre demand – historical trends and prospects for 2030. Final Report, IER, Universität Stuttgart, 2021)

Zur Erhöhung der Klimaverträglichkeit und Reduzierung der Umweltauswirkungen setzen Rechenzentren bereits elektrischen Strom aus erneuerbaren Energiequellen ein. Das ändert aber nichts an der Tatsache, dass der im Rechenzentrum verbrauchte Strom nahezu vollständig in Form von Abwärme ungenutzt an die Umgebung abgeführt wird. Die Chance, diese klimaneutrale Abwärme zur Dekarbonisierung im Wärmesektor einzusetzen, sollte nicht verschenkt werden.

Typischerweise können ca. 70 Prozent der im Rechenzentrum verbrauchten Strommengen theoretisch als Abwärme wiederverwendet werden. Die Wiederverwendung der unvermeidbar anfallenden Abwärme im Wärmesektor kann einen Beitrag für Nachhaltigkeit und Klimaschutz leisten. Denn: Würde das in Deutschland vorhandene Potenzial vollständig ausgeschöpft werden, könnten fast 2 Millionen Tonnen CO2 jährlich eingespart werden. Dazu müsste diese Wärme einen Teil, der meist auf fossilen Energieträgern basierten Wärmeversorgung für Gebäudeheizungen und gewerbliche Anwendungen ersetzen.

Ist die Abwärmenutzung aus Rechenzentren überhaupt wirtschaftlich?

Die Temperatur der Abwärme aus luftgekühlten Rechenzentren ist mit durchschnittlich 35 Grad für die meisten direkten Wärmeanwendungen zu niedrig und würde beispielsweise für die Einspeisung in herkömmliche Wärmenetze nicht ausreichen. Daher setzt man Wärmepumpen ein und erhöht so das Temperaturniveau auf das erforderliche Maß.

Deren Wirtschaftlichkeit hängt im großen Maße von zwei Faktoren ab: zum einen die Höhe der Temperaturdifferenz zwischen der Abwärme und der Betriebstemperatur der vorhandenen Wärmenetze. Zum anderen davon, welchen Preis Betreiber für den Strom zum Betrieb ihrer Wärmepumpe zahlen und was im Gegenzug Brennstoffe für die Erzeugung der gleichen Wärmeenergie kosten würden.

Abbildung 2: Wirtschaftlichkeitsabschätzung für die Integration von Wärmepumpen – gestrichelte Linie für Kostenparität.
Abbildung 2: Wirtschaftlichkeitsabschätzung für die Integration von Wärmepumpen – gestrichelte Linie für Kostenparität.
(Bild: Wolf; Flatau, Radgen; Blesl: Systematische Anwendung von Großwärmepumpen in der Schweizer Industrie. Abschlussbericht an das Bundesamt für Energie, Bern, Mai 2017)

Abbildung 2 zeigt die Grenzen der Wirtschaftlichkeit des Wärmepumpeneinsatzes für diese beiden Schlüsselparameter. Auch wenn in Skandinavien oder in der Schweiz die Rahmenbedingungen günstiger sind, kann auch in Deutschland mit seinen verhältnismäßig hohen Strompreisen ein wirtschaftlicher Betrieb möglich sein. Voraussetzung ist eine geringe Temperaturdifferenz zwischen Wärmesenke und -quelle. Die aktuellen Entwicklungen bei Strom-, Gas- und CO2-Preisen verbessern die Wirtschaftlichkeit derzeit zudem stetig.

Ein großer Vorteil der Abwärme aus Rechenzentren ist ihre dauerhafte Verfügbarkeit verbunden mit geringen saisonalen Schwankungen der Auslastung. Des Weiteren liegt das Temperaturniveau der Abwärme mit 35 Grad im Vergleich zu anderen typischen Wärmequellen für Wärmepumpen wie Umgebungsluft (im Winter 2019/2020 4,2 Grad) oder der oberflächennahen Geothermie (ganzjährig 7 bis 12 Grad) deutlich höher. Damit führt die Nutzung der Abwärme aus Rechenzentren zu wesentlichen Effizienzgewinnen und Kostenvorteilen.

Der Artikel entstammt dem aktuellen Kompendium „Nachhaltigkeit im Rechenzentrum“, das auf DataCenter-Insider zum Download angeboten wird:

Zögern und Zaudern sind Tabus

Kompendium: „Nachhaltigkeit im Rechenzentrum"

Nachhaltigkeit im Rechenzentrum
Nachhaltigkeit im Rechenzentrum

Datacenter müssen effizienter werden, nachhaltiger wirtschaften, in eine sektorübergreifende Kreislaufwirtschaft eingebunden werden. Für kann oder könnte, soll oder sollte, darf oder dürfte ist kein Platz im Sprachgebrauch, wenn es darum geht, die Umwelt zu entlasten.

Zögern, Zaudern, Zaghaftigkeit sind Tabus.

Es muss sein, jetzt, und es wird wehtun.
(PDF | ET 21.09.2021)

Lesen Sie im Kompendium unter anderem:

  • ... wie die Europäische DC-Branche die Vorreiter-Rolle anstrebt.
  • ... wie wir von anderen Branchen lernen können.
  • ... wie Rechenzentren nachhaltig und klimaneutral werden können.


    >>> Kompendium: „Nachhaltigkeit im Rechenzentrum“ zum Download
  • Wie die Abwärmenutzung das Geschäftsmodell von Rechenzentren erweitern kann

    Auf dem Weg zum effizienten und nachhaltigen Rechenzentrum muss im ersten Schritt in der näheren Umgebung nach potenziellen Anwendungen beziehungsweise Abnehmern gesucht werden. Je nach Standort des Rechenzentrums kann in ein bestehendes Nah- oder Fernwärmenetz eingespeist werden, wodurch Investitionen minimiert werden können.

    Im Falle eines Neubaus sollte die notwendige Leitungsinfrastruktur und die Einbindung von Wärmeabnehmern (Senke) frühzeitig in der Planung berücksichtigt werden. Der eventuelle spätere Anschluss von Wärme-Abnehmern sollte von Beginn an eingeplant werden, auch wenn die aktuelle Lage sich für die Abwärmenutzung als ungünstig herausstellt.

    Die notwendige Technologie für die Aufwertung der Wärme mithilfe von Wärmepumpen ist längst vorhanden und im Betriebseinsatz. Einzig deren Installation ist notwendig. In einzelnen Spezialfällen kann die Abwärme auch direkt genutzt werden, bspw. zur Beheizung von Gewächshäusern oder Schwimmbädern.

    Der Einsatz von Wärmepumpen zur Wärmeversorgung von Gebäuden ist bereits heute in Deutschland wirtschaftlich möglich, wenn dies möglichst frühzeitig als Option mit bedacht, geplant und gebaut wird. Ein großer Kostentreiber ist die Errichtung der notwendigen Wärmenetze, deren Ausbau, Neubau und Dekarbonisierung ein Schlüsselelement für die Erreichung der Treibhausgasminderungsziele im Gebäudesektor ist. Für entsprechende Maßnahmen stehen derzeit dabei erhebliche Fördermittel durch den Bund und die Länder zur Verfügung.

    Aber auch technisch könnte noch einiges auf beiden Seiten geschehen. Durch den verstärkten Einsatz der Warmwasserkühlung im Rechenzentrum und den Einsatz von Flächenheizungen zur Bereitstellung der Raumwärme treffen dann höhere Abwärmetemperaturen auf niedrigere Anforderungen an die Heiztemperaturen. So kann mittel- bis langfristig auf den Einsatz von Wärmepumpen verzichtet werden. An vielen Stellen fehlen Betreibern die notwendigen Informationen über technische Lösungen, es besteht Unsicherheit über den rechtlichen Rahmen und das wirtschaftliche Risiko von Investitionen in den Umbau erscheint hoch, weshalb weiterhin der Großteil der Abwärme ungenutzt in unsere Umwelt abgegeben wird.

    Bytes2Heat zeichnet die Skalierung des Geschäftsmodells als Plattform vor

    Die Entwicklung innovativer Lösungstools für eine energieeffiziente, wirtschaftliche und flächendeckende Nutzung der Abwärme aus Rechenzentren ist Ziel des Projektes. In dem vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Vorhaben arbeitet die Deutsche Unternehmensinitiative Energieeffizienz e.V. (DENEFF) eng mit der Universität Stuttgart (IER & IVR) und der innovativen Wärmenetze GmbH (IWN) zusammen, um das große CO2-Einsparungspotenzial durch die Nutzung der Abwärme aus Rechenzentren zu realisieren und damit die Wärmewende zu stärken. In einem kreativen und kollaborativen Co-Development- Prozess werden Betreiber von Rechenzentren, Energieversorger, Wärmeendabnehmer mit Raum- oder Prozesswärmebedarf, Kommunen und Anbieter von Effizienzlösungen zusammengebracht, um gemeinsam innovative und wirtschaftliche Lösungsansätze für alle betroffenen Akteure zu entwickeln. Mit diesem Projekt soll ein Umdenken angestoßen werden, den Energiebedarf zu reduzieren, indem die Abwärme wiederverwendet und durch Dritte genutzt wird.

    Das dreijährige Projekt setzt sich aus einer Hemmnis- und Bedürfnisanalyse, der Lösungsentwicklung, einer Pilotierung und der Verbreitung der Ergebnisse zusammen.

    Ausblick und nächste Schritte

    Im nächsten Schritt werden in aufeinanderfolgenden Workshops Akteure aus allen relevanten Bereichen zusammengebracht, um mit Hilfe der bis dahin analysierten Hemmnisse und Bedürfnisse gemeinsam innovative Lösungsansätze und Geschäftsmodelle für die Abwärmenutzung aus Rechenzentren zu entwickeln. Über die entstehende Bytes2Heat Online-Plattform (www.bytes2heat.com) werden die entwickelten Lösungstools öffentlich zur Verfügung gestellt, wodurch das Projekt langfristig die Möglichkeit bietet, die Abwärmenutzung aus Rechenzentren als gewinnbringendes Geschäftsmodell zu etablieren. In Pilotprojekten soll die Praxistauglichkeit der Ansätze bewiesen werden.

    Gesucht: Rechenzentren, Wärmesenken und Kommunen

    Wenn Sie als Rechenzentrumsbetreiber, Co- Location-Anbieter, Energieversorger, Wärmeendabnehmer oder Kommune Interesse an einer Pilotierung haben, nehmen Sie gerne mit den Verbundpartnern Kontakt auf. Wir suchen die passenden Partner und konzeptionieren eine attraktive Lösung.

    Fazit

    Rechenzentren leisten einen entscheidenden Beitrag zu unserer zukünftigen digitalen Gesellschaft. Allerdings steigt ihr Stromverbrauch bis 2025 um voraussichtlich 30 % – ein Großteil dieser Energie wird heutzutage ungenutzt in Form von Abwärme an die Atmosphäre abgegeben. Obwohl auch in Deutschland die Wirtschaftlichkeit von technischen Lösungen dargestellt werden konnte, fehlen teilweise die notwendigen Infrastrukturen und Kooperationen, um Rechenzentren kosteneffizient an bestehende Wärmenetze anzubinden.

    Die Entwicklung der Plattform Bytes2Heat soll Abhilfe schaffen: Rechenzentren, Energieversorger, Wärmeabnehmer, Kommunen und Lösungsanbieter werden miteinander vernetzt und gemeinsam innovative und wirtschaftliche Lösungsansätze entwickelt. Interessenten für Pilotkooperationen können sich bei der Projektansprechpartnerin melden.

    Artikelfiles und Artikellinks

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