Auf Zeit spielen Wärmespeicher machen Rechenzentrumsabwärme flexibler

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Rechenzentren liefern kontinuierlich Abwärme, der Wärmebedarf schwankt jedoch. Thermische Speicher können die beiden Lastprofile entkoppeln und damit neue Möglichkeiten für Wärmenetze und Quartierslösungen schaffen.

Rechenzentren wachsen in eine neue Betriebslage hinein. KI‑ und HPC‑Workloads treiben die Anschlussleistungen nach oben, Wärmelasten und zulässige Temperaturfenster klettern hoch, die Kühlkonzepte werden komplexer. Zugleich steigt der regulatorische Druck, Energie-Effizienz und Abwärmenutzung im Zuge fortschreitender Sektorenkopplung zu steigern.

Unliebsame Hitze?

Data­cen­ter-Abwärme kann ökonomisch funktionieren

Wachsende Rechenzentrumskapazitäten, höhere Leistungsdichten und die kommunale Wärmeplanung treffen auf Quartiere und Wärmenetze, die zusätzliche, verlässliche Wärmequellen suchen. Die systematisch anfallende Rechenzentrumsabwärme erreicht Größenordnungen, die für Fernwärmebetreiber, Projektentwickler und industrielle Abnehmer energiewirtschaftlich interessant sind.

Damit rücken Wärmespeicher aus der Nachhaltigkeitsecke in die Infrastrukturplanung: Sie werden zu Infrastruktur‑Bausteinen für Standorte, die mit ihrer Abwärme bewusst wirtschaften wollen.

Kurzfristige thermische Speicher – etwa Pufferspeicher, Warmwasser‑ und Kältespeicher – verschieben Wärme oder Kälte im Stunden‑ bis Tagesspektrum und glätten Lastspitzen im jeweiligen Stadtteil (Quartier) oder im Rechenzentrum. Saisonale Speicher wie Erdbecken‑, Erdsonden‑, Aquifer‑ oder andere großvolumige Untergrundspeicher haben die Aufgabe, Abwärme über Wochen bis Monate zu speichern und zwischen Sommer‑ und Winterbedarf zu verschieben.

Dazwischen etabliert sich eine Klasse „mittelfristiger“ Speicher – etwa groß dimensionierte Erdbeckenspeicher –, die mit Zyklen von einigen Tagen bis zwei Wochen vor allem die Lastprofile im Quartier und im Fernwärmenetz glätten.

Ein Beispiel für ein in‑House umgesetztes Eis‑Energiespeichersystem liefern Marco Griesbach und Florian Heberle am Zentrum für Energietechnik der Universität Bayreuth. Dort versorgt ein rund 500 Kubikmeter großer Eis‑Speicher in Kombination mit einer Wärmepumpe ein Forschungsgebäude mit Wärme und Kälte und dient zugleich als Reallabor für die Bewertung und Optimierung von Eis‑Speichern.

Kühles Kalkül

Das Geschäft mit der Abwärme

Ähnliche Kälte‑ und Eisspeicher (darunter Eis‑ und Eisschlamm‑Systeme) kommen auch bereits in produktiven Rechenzentren zum Einsatz. So zeigen etwa NREL/DOE in ihrem Cold‑UTES‑Programm, wie unterirdische Kältespeicher die Spitzenlast der Rechenzentrumskühlung reduzieren. Kälte wird nachts oder in stromgünstigen Stunden „vorgeladen“ und tagsüber zur Entlastung der Chiller genutzt.

Zu den Vorreitern in diesem Bereich zählen Hyperscaler und Telekom‑Rechenzentren mit großen Kältespeichern, die in die Kaltwasserkreise eingebunden sind und Peak‑Shaving beziehungsweise Notkühlreserven bereitstellen. Technisch sind diese Anlagen eng verwandt mit den Eis‑Speichern, die Griesbach und Heberle im Forschungsumfeld untersuchen.

Thermische Energiespeicher dienen nicht nur der energetischen Verwertung der RZ-Abwärme, sondern sind ein zentrales Instrument, um zeitliche Leistungs- und Temperaturdifferenzen zwischen IT-Last, Kälteerzeugung und Wärmenachfrage zu überbrücken.

Studien zu Campus- und Quartierslösungen zeigen, dass ein konventioneller Warmwasserspeicher die Spitzenlast im angeschlossenen Fernwärmesystem um etwa 30 Prozent reduzieren und die jährlichen Wärmekosten um etwa 5 Prozent senken kann, sofern beim Speicherwirkungsgrad Werte von ≥80 Prozent erreicht werden.

Langfristige Speicher wie Erdsondenfelder erhöhen zwar mit Investitionskosten und Rückzahlzeiten jenseits von 15 Jahren die Kapitalkomponente, ermöglichen dafür aber eine Nutzung von bis zu 90 Prozent der verfügbaren Rechenzentrumsabwärme.

Besonders relevant wird diese Speicherlogik, wenn Rechenzentren ihre Abwärme in externe Fernwärmenetze einspeisen – etwa in Skandinavien, Irland oder Mitteleuropa, wo bereits eine Reihe von Projekten in Betrieb ist. Hier trifft eine nahezu kontinuierliche, leistungsdichte Niedertemperatur-Wärmequelle aus dem Rechenzentrum auf ein stark schwankendes, witterungsgetriebenes Wärmeprofil der städtischen Verbraucher; ohne Speicher müssten entweder Wärmepumpen und Netze auf selten auftretende Spitzenlasten ausgelegt oder fossile Spitzenlastkessel vorgehalten werden.

Dynamische Exergie- und Netzsimulationen zeigen, dass bereits eine thermische Speicherkapazität in der Größenordnung von 5–6 Prozent der jährlichen Heizlast ausreichen kann, um saisonale Lastverschiebung, wirtschaftliche Leitungslängen von deutlich über 20 Kilometer bei 100‑MW-Abwärmequellen und Amortisationszeiten von unter drei Jahren zu ermöglichen – bei gleichzeitigem System-COP von >3.4.

In dieser Perspektive sind Wärmespeicher ein integraler Bestandteil der Systemführung: Sie entkoppeln elektrische Leistungsflüsse und thermische Lastgänge, ermöglichen höhere Rücklauftemperaturen und längere Laufzeiten der Wärmepumpen im optimalen Betriebspunkt und stabilisieren damit sowohl das Fernwärmenetz als auch – indirekt – das Stromnetz.

In Europa entsteht ein regulatorischer Rahmen, der genau diese Transformation beschleunigen dürfte. Die Regulatorik – von der EU‑Energie-Effizienzrichtlinie über nationale Vorgaben zur Abwärmenutzung bis hin zu Forschungsprogrammen – verknüpft erneuerbare Energien mit Wärmespeichern und öffnet dabei Spielräume für KI gestützte Betriebsoptimierung.

Vor diesem Hintergrund rücken aktuell drei Innovationslinien aus der Nische der Nachhaltigkeitsforschung in den Kern der Rechenzentrumsplanung: kompakte Hochtemperatur‑Speicher auf Basis von PCM und thermo­chemischen Materialien, tiefengekoppelte Untergrund‑Speicher (UTES) mit saisonaler Speicherfähigkeit sowie KI‑getriebene Orchestrierung.

Thermochemische Speicher und Phase-Change-Materials

Thermochemische Speicher und Phase-Change-Materials (PCMs) erhöhen die Energiedichte klassischer Wärmespeicher. Diese Lösungen kombinieren Wasserpuffer mit PCMs und sorptiven Speichermaterialien wie Salz‑Ammoniak‑Mischungen und erreichen damit um ein Mehrfaches höhere Speicherkapazitäten pro Volumen.

Adsorptionskälte

Kontinuierliche Kälte durch Datacenter-Abwärme

Auf europäischer Ebene adressieren Projekte wie „MiniStor“ diese Entwicklung explizit. Der im Rahmen von Horizon 2020 entwickelte kompakte Hochleistungsspeicher koppelt eine thermochemische Speichereinheit mit heißen und kalten PCM‑Modulen und ist auf ein Temperaturfenster von typischerweise 40 bis 65 Grad Celsius ausgelegt – also genau den Bereich, in dem Niedertemperatur‑Wärmenetze und Wärmepumpen mit Rechenzentrumsabwärme zusammenlaufen.

Parallel dazu arbeiten Vorhaben wie „Stock‑HD“ an sorptiven Hochdichte‑Speichern auf Basis von Salz‑Hydraten, die als separate Reaktoren in Fernwärmenetze integriert werden können. Ziel ist eine hohe Energiedichte bei Temperaturen, die mit der Einbindung industrieller Niedertemperatur‑Abwärme kompatibel sind – einschließlich der kontinuierlich anfallenden Abwärme aus Rechenzentren.

Wo hohe Abwärmemengen auf begrenzte Flächen und Niedertemperatur‑Wärmenetze treffen, spielen PCM‑ und thermochemische Speicher ihre erhebliche Speicherdichte aus. Kompakte Speicherlösungen im 40‑bis‑65‑Grad‑Fenster lassen sich in RZ‑Peripherie, Technikzonen oder benachbarte Energiezentralen integrieren und koppeln so die kontinuierliche Abwärme-Erzeugung mit den schwankenden Lastgängen der Netze.

Das 40‑bis‑65‑Grad‑Fenster markiert einen pragmatischen Kompromiss: RZ‑Abwärme wird typischerweise auf 30 bis 40 Grad aus den Kühlkreisläufen entnommen und über Großwärmepumpen auf das für Niedertemperatur‑Netze übliche Niveau von 55 bis 70 Grad angehoben.

PCM‑ und thermochemische Speicher können genau in diesem Bereich geladen und entladen werden. Damit halten sie nicht nur die Vorlauftemperaturen stabil, sondern erweitern auch den betriebswirtschaftlich nutzbaren Anteil der Abwärme über die Tageslastgänge hinweg.

Wohin mit der Serverhitze und wie?

Das Leuchtturmprojekt DC2HEAT zur Abwärmenutzung erreicht die Zielgerade

Für Betreiber und Stadtwerke entsteht daraus ein gemeinsamer Business Case: Rechenzentren liefern kontinuierliche Abwärme; Speicher und Wärmepumpen transformieren sie in ein netz‑ und lastgangkompatibles Produkt, das sich in Wärmeverträgen, Flexibilitätsoptionen und der Klimabilanzierung abbilden lässt.

Wärmespeicher reduzieren die notwendige Anschlussleistung zum Netz, glätten Einspeiseprofile und können in Preismodellen mit Leistungs‑ und Arbeitspreisen direkt bewertet werden – ein Ansatz, der in ersten Projekten und Demonstratoren erprobt wird.

Ein Beispiel ist die PCM‑basierte „Thermal Battery“ des ungarischen Anbieters Heatventors, die für hohe Dauerlast ausgelegt ist. Nach Herstellerangaben nimmt sie rund 30 kWh Wärme-Energie pro Kubikmeter Speichervolumen auf und benötigt dadurch deutlich weniger Stellfläche als vergleichbare Wasserspeicher.

Heiß gerechnet

Wie KI-Rechenzentren die Wärmeplanung verändern

Ähnlich positionieren sich Anbieter wie Solthera. Die PCM‑Module des Unternehmens werden als kompakte Speicherblöcke in Kälte‑ und Wärmekreise integriert, um Lastspitzen zu glätten und Temperaturplateaus zu stabilisieren. Im Umfeld von MiniStor wiederum entstehen containerisierte thermochemische Speichersysteme, die sich als eigenständige Einheiten in Heiz‑ und Kältezentralen mit Rechenzentrumsanbindung nachrüsten lassen.

Zeitlich verschoben

Die meisten Abwärmeprojekte koppeln bisher direkt an Wärmenetze, ohne nennenswerte Speicher. Wärmespeicherung ist noch nicht flächendeckend etabliert, wohl aber klar „im Kommen“ – erste Quartierslösungen mit Pufferspeichern, Eisspeichern oder saisonalen Bohrloch-Wärmespeichern zeigen die zeitliche Entkopplung zwischen kontinuierlicher Erzeugung der RZ-Abwärme und stark schwankendem Wärmebedarf.

Rechenzentrumsabwärme speist kommunales Fernwärmenetz

Stadtwerke Norderstedt koppeln Rechenzentrum an Wärmeversorgung

In den Vereinigten Staaten sind Kaltwasserspeicher („Chilled Water Storage Tanks“) und Eis-Speicher relativ verbreitet. Sie haben in Rechenzentren mehrere Aufgaben:

• Lastspitzen kappen, das sogenannte Peak-Shaving (zum Beispiel Kühlung in der Nacht, Nutzung tagsüber);

• Blackout- und Grid-Support;

• Verbesserung der PUE durch lastadaptive Chiller-Nutzung.

Laut einer JLL-Analyse zur Energieversorgung von Rechenzentren aus dem Jahre 2025 sind Ice-Storage-Systeme und Kaltwasserspeicher mit Chilled-Water-Tanks bereits integraler Bestandteil der RZ-Kälteversorgung diverser Hyperscaler und Colocation-Anbieter. Die konkreten Standorte werden aus Wettbewerbsgründen nur selten öffentlich genannt, aber die Funktionsweise und die Integration in Hyperscale-Cooling-Konzepte sind gut dokumentiert und finden auch in Deutschland Zuspruch.

Im Hochhaus Eurotheum in Frankfurt wurde das frühere Rechenzentrum der Europäischen Zentralbank (EZB) von Cloud&Heat zu einem wassergekühlten Rechenzentrum umgebaut, das die Abwärme zur Beheizung von Hotel, Gastronomie und Büros nutzt. Das Heizsystem arbeitet mit Warmwasserspeichern. In diese Speicher wird die 60 Grad Celsius-Abwärme aus der direkten Wasserkühlung eingespeist. Dadurch kann ein großer Teil der Serverwärme mit zeitlicher Verschiebung genutzt werden.

Die umweltfreundliche OpenStack-Cloud aus Frankfurt

Cloud&Heat übernimmt ehemaliges Rechenzentrum der EZB in Frankfurt

Auf dem Campus Lichtwiese hat die TU Darmstadt ein realmaßstäbliches System zur Bohrloch-Wärmespeicherung (Medium-Deep Borehole Thermal Energy Storage, MD‑BTES) realisiert. Dieses saisonale geothermische Wärmespeicher basiert auf drei koaxialen Sonden à 750 m. Im Rahmen des Projekts „Skews“ (Teil von EU-Horizon „Push-It“) wird hier saisonale Speicherung von Wärme aus erneuerbaren Quellen und Prozessabwärme untersucht. Die TU nennt als potenzielle Quellen für die Einspeisung in das Campus-Fernwärmenetz explizit Rechenzentren und Labore.

Am TU-Darmstadt-Projekt Skews arbeiten mehrere europäische Standorte mit geothermischen Hochtemperaturwärmespeichern zusammen. In der Projektbeschreibung wird erwähnt, dass Erfahrungen unter anderem auch mit Rechenzentrumsabwärme geteilt werden und internationale Partner – darunter auch US-Institutionen – das Thema Rechenzentrums-Abwärme und saisonaler Wärmespeicher adressieren.

Eine Kontroverse von Max Schulze und Günter Eggers

Wie viele Datacenter, Regulierungen und Übersee-Investoren braucht Deutschland?

Am Standort Berlin 1 in Spandau kommt die Abwärme zweier NTT-Bestandsrechenzentren dem neuen Stadtquartier „Das Neue Gartenfeld“ als Hauptwärmequelle zugute. Die Energiezentrale erhält einen Warmwasserspeicher mit 300 Kubikmeter Fassungsvermögen zur Pufferung der RZ-Abwärme und zur Versorgung von bis zu 8 MW Heizleistung; zusätzlich wird ein Power-to-Heat-Kessel (3,6 MW) installiert.

Die Abwärmenutzung des Berliner Bestandsrechenzentrums hat Günther Eggers (NTT) im Detail in einem Podcast von DataCenter-Insider erläutert; dort wird die Kopplung an Wärmenetz, Wärmepumpen und Speicher detailliert besprochen (DataCenter-Insider-Podcast #48).

Supercaps & Co.

In diesem Kontext tauchen noch andere Technologien als potenzielle Bausteine der Speicherlandschaft auf, darunter Lösungen wie Superkondensatoren.

Sasa Veljkovic von Vistecc sieht in Supercaps eine Option, klassische Batterien in ausgewählten Anwendungen – unter anderem in Rechenzentren – zu ersetzen: Die Module arbeiten chemikalienfrei, sind auf Hunderttausende Zyklen ausgelegt und liefern hohe Leistungen auf kurzen Zeitskalen.

Der limitierende Faktor ist derzeit noch der Preis, weshalb Superkondensator‑Energiespeicher vor allem dort interessant sind, wo kurzzeitige Leistungsspitzen abgefangen oder Netzübergänge überbrückt werden müssen – etwa als Ergänzung zu USV‑Systemen oder in Kombination mit thermischen Speichern und Batteriespeichern.

Heiß auf die KI‑getriebene Betriebsoptimierung?

Rechenzentren kippen von „Kälteverbrauchern“ zu „thermischen Knotenpunkten“ – nicht nur in technischer, sondern auch in regulatorischer Hinsicht.

Mit Eisspeichern und Kälte as a Service

Nexspace setzt auf regionale Expansion

Das Energie-Effizienzgesetz zwingt Betreiber dazu, Abwärme nach Stand der Technik zu vermeiden, zu reduzieren und zunehmend nutzbar zu machen – inklusive verbindlicher Quoten für neue Standorte. Vor diesem Hintergrund werden KI‑gestützte Steuerungssysteme zum zentralen Werkzeug, um Kühlung, PUE und Abwärmebereitstellung zu optimieren.

Nach Darstellung von Professor Dieter Brüggemann, Leiter des Zentrums für Energietechnik (ZET) an der Universität Bayreuth, rücken Energiespeicher „in den Mittelpunkt der Energiewende“ – gerade dort, wo Rechenzentren, Abwärmenutzung und erneuerbare Erzeuger über intelligente Regelungskonzepte zusammengeführt werden.

Mit der wachsenden Vielfalt an Speichern – Batterien, Supercaps, Warmwasser‑ und Kältespeicher, PCM‑Module, UTES – wird deren Steuerung zur eigenen Disziplin.

An die Stelle fester Fahrpläne treten datengetriebene Strategien: KI‑gestützte Regelungen und modellprädiktive Controller beziehen Lastprognosen, Strom‑ und Wärmepreisprofile, Netzsignale und Anlagenzustände ein, um Lade‑ und Entladevorgänge über alle Speichertypen hinweg zu optimieren. Ziel ist nicht nur die Einhaltung von Temperatur‑ und Verfügbarkeitsgrenzen im Rechenzentrum, sondern ein optimierter Gesamtbetrieb der Energieinfrastruktur.

Pilotstudien zeigen, dass datengetriebene und KI‑basierte Ansätze die thermische Dynamik von Speichertanks besser abbilden als klassische Regler und dadurch Chiller‑Laufzeiten, Peak‑Leistungen und Betriebskosten signifikant senken können. In der Praxis integrieren Hersteller entsprechende Algorithmen bereits in ihre Kühl‑ und Gebäudeleitsysteme: KI bewertet in Echtzeit, ob es wirtschaftlicher ist, Kältespeicher zu laden, Wärmespeicher zu entladen, elektrische Batterien einzusetzen oder Lasten zu verschieben – und bindet dabei auch externe Signale wie Börsenstrompreise oder Demand‑Response‑Programme ein. Wärmespeicher werden damit von passiven Puffern zu aktiven Flexibilitätsressourcen, die in einem orchestrierten Zusammenspiel mit elektrischen Speichern, Supercaps und der RZ‑Kühlung stehen.

Wärmerückgewinnung aus Rechenzentren

Was ist und wie geht Waste Heat Utilization?

KI unterscheidet zwischen Speichern nicht nur nach Kapazität, sondern auch nach Zeitskala und Kostenstruktur. Kurzfristige Leistungsspitzen und Netzübergänge werden bevorzugt über Supercaps und Batterien abgefangen, während thermische Speicher für stunden- bis tagelange Verschiebungen von Kühl‑ und Wärmelasten genutzt werden; die Algorithmen berücksichtigen dabei Wirkungsgrade, Alterungskosten der Batterien und die Verluste der Wärmepumpen ebenso wie aktuelle Energiepreise und verfügbare Netzkapazitäten.

Parallel dazu schärft das Energie-Effizienzgesetz (EnEfG) die Rahmenbedingungen. Neue Rechenzentren müssen sich frühzeitig mit Wiederverwendungsquoten, Abwärmepfaden und potenziellen Abnehmern auseinandersetzen. Wärmespeicher werden in diesem Kontext zum Hebel, um regulatorische Vorgaben mit den realen Lastgängen auf Quell‑ und Nachfrageseite in Einklang zu bringen.

Stefan Frenzel über Kühltechnologien und Abwärmenutzung

Den Rechenzentren geht die Luft aus

Fazit

Rechenzentren mutieren von reinen Strom‑ und Kälteverbrauchern zu aktiven Akteuren im Wärmemarkt: Vorreiter koppeln hochdichte KI‑Lasten mit lokalem und regionalem Wärmebedarf. Sie nutzen Energiespeicher, um thermische Lastspitzen und volatile Strompreise zu entkoppeln. Wärmespeicher schließen die Lücke zwischen kontinuierlicher Abwärme-Erzeugung und dem volatilen Wärmebedarf.

Interview mit Heiko Ebermann, Vertiv

„Etwas Luftkühlung bleibt fast immer“

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