Was sind netzdienliche Verbraucher? Rechenzentren sind Hemmschuh und/oder Helden der Energiewende

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In der Öffentlichkeit gelten Rechenzentren oft als unersättliche Stromfresser. Dabei könnten sie die Stars der Energiewende sein: Würde die Politik nur endlich die Grundlagen dafür schaffen! Doch auch die Branche muss sich bewegen.

Die Energiewende stellt die Spielregeln der Stromversorgung auf den Kopf. Bislang floss der Strom zuverlässig und planbar von den großen, zentralen Kraftwerken zu den Verbrauchern.

Heute muss das Stromnetz Tausende dezentrale erneuerbare Energiequellen einbinden, bidirektionale Last- und Energieflüsse bewältigen sowie Angebot und Nachfrage in Echtzeit ausgleichen. Der Netzausbau kommt jedoch nur schleppend voran: Vielerorts ist die Infrastruktur veraltet, fehlen Netzkapazitäten und entstehen regionale Engpässe.

Gleichzeitig verzeichnen Rechenzentren ein enormes Wachstum, treiben den Energiebedarf in die Höhe und setzen das Stromnetz weiter unter Druck. Entgegen dem gängigen Bild der „unersättlichen Stromfresser“ bringen Rechenzentren jedoch wichtige Voraussetzungen mit, um das Netz aktiv zu entlasten und zu stabilisieren.

Die digitale Energiewende im Fokus: das Netforum 25 im Festspielhaus Bregenz

Von Smart Grids über das Energie-Effizienzgesetz (EnEfG) bis hin zu Abwärmenutzung und nachhaltigen IT-Infrastrukturen. Auf dem „Netforum 25“ ist die Energiewende im Rechenzentrum eines der Kernthemen. Fachexperten wie Christof Wittwer (Fraunhofer ISE), Staffan Reveman (Reveman Energy Academy), Eberhard Knödler (BM Green Cooling) und Helmut Göhl (Ingenieurbüros GTS) berichten auf dem zweitägigen IT-Strategiekongress aus erster Hand über aktuelle Entwicklungen, Technologien und Lösungen sowie kommende Trends und Herausforderungen.

Die Veranstaltung setzt technologische, wirtschaftliche und politische Fragestellungen in einen strategischen Kontext – ein Ansatz, der durch Beiträge von Karl-Theodor zu Guttenberg (Verteidigungs- & Wirtschaftsminister a.D.), Anna Kopp (CIO Microsoft Deutschland), Philipp Kalweit (Hacker und IT-Sicherheitsberater), Alexander Rabe (Eco Verband der Internetwirtschaft) und vielen weiteren Experten untermauert wird.

Das Netforum, heuer am 10. und 11. September im Festspielhaus Bregenz, hat sich seit 1997 zu einer festen Größe in der IT- und Datacenter-Branche entwickelt. Das Themenspektrum der diesjährigen Veranstaltung erstreckt sich von intelligenten IT-Infrastrukturen, Netzwerktechnik und Cybersecurity bis hin zu Künstlicher Intelligenz und Quantentechnologie.

Hier geht es zur Anmeldung.

Erneuerbare Energien: Volatil und unberechenbar

Solar- und Windkraft sind wetterabhängig und nur schwer planbar. Bei starken Wind- oder Sonnenphasen erzeugen die Anlagen mehr Strom, als benötigt wird oder das Netz aufnehmen kann. Das kann zu Spannungsspitzen, Frequenzstörungen und Netzengpässen führen. In der Folge müssen Wind- und Solaranlagen abgeregelt werden, um das Netz zu stabilisieren und Überlastungen zu vermeiden.

Allein im Jahr 2022 gingen dadurch rund 5.800 Gigawattstunden Strom verloren. Anders sieht es bei Dunkelflauten oder plötzlichen Wetterumschwüngen aus: Die Stromproduktion bricht ein und muss durch fossile Reservekraftwerke oder Stromimporte ausgeglichen werden.

In der Summe sehen sich Netzbetreiber immer häufiger gezwungen, in das Netz einzugreifen und Netzengpässe durch teure Redispatch-Maßnahmen zu beheben. Allerdings sind diese nur als kurzfristige Notlösung gedacht. Langfristig braucht es andere Ansätze, etwa intelligente Steuerungssysteme, leistungsfähige Speicher sowie ein flexibles Zusammenspiel von Verbrauch und Angebot.

Rechenzentren haben einen hohen, aber planbaren Stromverbrauch. Anders als die meisten Haushalte, Gewerbebetriebe oder prozessgebundenen Industrien können sie ihre Lastprofile aktiv steuern und flexibel auf externe Netzsignale reagieren. Mit dieser Anpassungsfähigkeit können Rechenzentren gleich auf mehreren Ebenen netzdienlich agieren und mittels automatisiertem Demand-Response-Management zur Stabilisierung des Stromsystems beitragen.

Zeitliche und räumliche Flexibilität als Schlüsselbausteine

Ein zentrales Instrument ist die zeitliche Lastverschiebung. Bei diesem Ansatz werden rechenintensive Prozesse, zum Beispiel Batch-Verarbeitungen, Renderings, Backups oder KI-Trainings, gezielt in Zeiten hoher Stromverfügbarkeit verschoben. So kann überschüssiger Strom aus erneuerbaren Energiequellen sinnvoll genutzt und Einspeisespitzen im Netz geglättet werden.

Umgekehrt können Rechenzentren in Spitzenlastzeiten flexible Prozesse geplant drosseln oder pausieren (Peak Shaving) oder sehr kurzfristig als Primär-, Sekundär- oder Minutenreserve einspringen. Im Unterschied zur geplanten Verschiebung (Stundenbasis) reagieren sie dabei innerhalb von Sekunden bis wenigen Minuten automatisch auf Frequenzabweichungen, indem sie Last erhöhen oder reduzieren.

Neben der zeitlichen spielt auch die räumliche Flexibilität eine wichtige Rolle. Bei mehreren Standorten können Workloads zwischen Rechenzentren verschoben und an die geografische Netz- und Stromverfügbarkeit angepasst werden (Geo-Load-Balancing). Rechenaufgaben werden dann bevorzugt in Regionen mit aktuell hohem Wind- oder Solarstrom ausgeführt, wohingegen in stark belasteten Netzbereichen die Last reduziert wird.

Speicherintegration und Standortstrategie

Einen Schritt weiter gehen Betreiber mit der Integration von Batteriespeichern, etwa in Kombination mit eigenen PV-Anlagen. Mit Batteriespeichern lassen sich Stromüberschüsse zwischenspeichern, die andernfalls abgeschaltet werden müssten.

Bei Netzengpässen oder Dunkelflauten kann der Strom wiederum ins Netz zurückgespeist werden, um Lastspitzen auszugleichen und das Stromnetz zu entlasten. Denkbar ist auch, das Rechenzentrum bei akutem Energiebedarf kurzfristig vom Netz zu trennen und über die Batteriespeicher zu versorgen, bis die Reservekraftwerke einspringen (Inselbetrieb).

Neue Wege in der Energieversorgung von Datacenter

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Auch die Standortwahl spielt eine strategische Schlüsselrolle. Rechenzentren sind nicht an Rohstoffquellen, Erze, Bauxit oder Holz, gebunden. Ihr Betrieb hängt primär von Strom, Netzanschluss und Internet-Backbone ab. Solange diese Voraussetzungen gegeben sind, können Rechenzentren auch gezielt in der Nähe von Windparks oder Solaranlagen angesiedelt werden, etwa in Norddeutschland oder an Küstenstandorten mit Offshore-Windkraft.

Ökostromanbieter und Cloud Provider

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In Kombination mit Power Purchase Agreements (PPAs) können Betreiber auf diese Weise planbaren und günstigen Strom beziehen und gleichzeitig regionale Stromnetze in Ballungsräumen entlasten. Einige Betreiber gehen noch weiter und koppeln ihre Rechenzentren direkt mit Wind- oder Solarparks, um eine nahezu autarke Versorgung zu ermöglichen. In diesem Fall können sogar Netzentgelte und Stromsteuern eingespart werden.

Technische Hürden und fehlende Anreize

In der Praxis sind netzdienliche Rechenzentren jedoch die Ausnahme. Das hat zum einen technische Gründe. Rechenzentren können Lasten nur dann flexibel steuern und in Echtzeit auf Netzsignale reagieren, wenn sie über Netzschnittstellen, eine effiziente Workload-Orchestrierung sowie Energiespeicher- und Prognosesysteme verfügen.

Um Stromerzeugung, -speicherung und -verbrauch optimal aufeinander abzustimmen, werden auch KI-Lösungen an Bedeutung gewinnen. Hinzu kommt: Viele Anwendungen lassen sich mit der bestehenden Datacenter-Architektur nicht ohne weiteres drosseln oder pausieren.

Stärker ins Gewicht fallen jedoch die fehlenden wirtschaftlichen Anreize. Investitionen in netzdienliche Betriebsprozesse und Infrastrukturen müssen sich finanziell lohnen. Politik, Netzbetreiber und Energieversorger stehen hier in der Pflicht. Es bedarf attraktiver Förderprogramme, steuerlicher Anreize sowie dynamischer Tarif- und Prämienmodelle. Ebenso werden verlässliche und rechtssichere Rahmenbedingungen benötigt, die Planungssicherheit und Investitionsschutz bieten.

Paradigmenwechsel in der Rechenzentrums-Architektur

Technische Hürden, fehlende Anreize und rechtliche Unsicherheiten sind das eine. Doch auch die Branche sollte altgediente Konzepte hinterfragen. Über Jahrzehnte hinweg wurden Rechenzentren meist als einzelne, abgeschottete und physisch hochgesicherte Festungen mit maximaler Redundanz konzipiert. Diese standortfixierte Hochverfügbarkeitslogik steht jedoch im Widerspruch zu netzdienlichen, flexiblen Betriebsweisen.

Langfristig braucht es ein Umdenken: Weg vom starren Paradigma der maximalen Verfügbarkeit am Einzelstandort, hin zu einem verteilten Multi-Site-Verbund mit virtualisierten Clustern und dynamischer Lastverteilung. Anwendungen, Dienste, Ressourcen und Workloads sind in diesem Szenario nicht mehr an einen physischen Standort gebunden, sondern auf mehrere Rechenzentren verteilt. Bei Bedarf lassen sie sich automatisch und latenzoptimiert verschieben. Resilienz entsteht dann nicht mehr nur durch lokale Redundanz, sondern durch Cluster-Architekturen, Self-Healing-Systeme und geografisch redundante Datenreplikation.

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