Abwärmenutzung aus Rechenzentren – die richtigen Netze müssen her

03.09.2021

Tatsächlich hat sich die Energieeffizienz von Rechenzentren (RZ) in den letzten Jahren deutlich verbessert. Moderne Rechenzentren mit Kalt-/Warmgang Unterteilung und freier Kühlung haben heute PUE Werte, also Quotienten des Gesamtenergieverbrauchs zum Energieverbrauch der IT, zwischen 1,3 und 1,4. 2010 lag er im Schnitt noch bei 1,98 [1]ƒ. Der Blaue Engel fordert als ein Zertifizierungskriterium einen Wert kleiner 1,3 [2].

Abwärmenutzung aus Rechenzentren

In Sachen Infrastrukturverbesserung ist da nicht mehr viel Optimierungsspielraum.

Da liegt es nahe, durch eine Abwärmenutzung die energetische Performance zu verbessern und so einen Beitrag zur Klimaneutralität zu leisten, deren Umsetzung im April 2021 vom Bundesverfassungsgericht ja bekanntlich noch einmal angemahnt wurde.

Zugegebenermaßen ein reizvoller Gedanke. Man nehme die Abwärme aus dem zu 100 % mit Strom versorgtem Rechenzentrum, mit der ansonsten nur das Kleinklima aufgeheizt wird, und erwärme damit angrenzende Wohnungen; im Idealfall unter Nutzung einer vorhandenen Fernwärmeleitung.

Gemeint sind also keine singulären Einzellösungen wie eine Schwimmbaderwärmung und Gewächshausbeheizung. Die Herausforderung ist vielmehr das Finden von Lösungen im großen Stil wie man sie aus Schweden kennt. Wo sich viele Rechenzentren sektoral zusammenschließen und 10.000 und mehr Wohnungen so beheizt werden [3, 4].

Bleibt das ein hehrer Wunsch in Deutschland? Wieviel Effizienzsteigerung bieten solche Lösungen?

Grundlagen

Die Rechenzentren in Deutschland verbrauchten 2020 rund 16 Milliarden kWh Strom [1] und emittierten dabei ca. 6,5 Mio. Tonnen CO2. Bezogen auf den Bruttostromverbrauch 2020 von 559,3 TWh [5] sind das 2,9 %. Bis 2025 wird gar ein Anstieg um weitere 12% auf rund 18 Milliarden kWh erwartet. RZ´s entwickeln sich so mehr und mehr zu einem großen Einzelverbrauchsfaktor.

Bild: Energieverbrauchsentwicklung der Rechenzentren in Deutschland [2]
Bild: Energieverbrauchsentwicklung der Rechenzentren in Deutschland [2]

Der Energieverbrauch verteilt sich gemäß Borderstep auf ca. 52.500 Rechenzentren unterschiedlicher Größen.

Aus der Anzahl und den Größenangaben lassen sich die Verbrauchs- und Abwärmestrukturen für die 5 RZ Kategorien, die Borderstep beschreibt, recht gut abschätzen.

 

Vor dem Hintergrund eines Gesamtstromverbrauchs von 16 TWh/a ergibt sich so die folgende Verteilung von Stromverbrauch, Abwärme und CO2 Emissionen. Der reale IT Betriebsstrom wurde dazu mit 70 des Auslegungswertes angenommen, der PUE mit 1,5, die Wärmeverteilverluste mit 20%, die jahreszeitliche Wärmeausnutzung mit 70 % Darauf basierend ergeben sich die beheizbaren Wohnflächen. (Wärmebedarf 70 W/m [2]; 105 kWh/(m2Xa); Warmwasserbedarf für 4 Personen)

Tabelle: : Strombedarf, CO2 Emissionen und Abwärmepotential unterschiedlicher RZ Kategorien (Quelle: Dieter Thiel)
Tabelle: : Strombedarf, CO2 Emissionen und Abwärmepotential unterschiedlicher RZ Kategorien (Quelle: Dieter Thiel)

Erwartungsgemäß bietet das Abwärmepotential aus Serverschränken und kleinen Serverräumen trotz ihrer hohen Anzahl keine Möglichkeit der hier angestrebten großflächigen Nutzung.

Interessant wird es aber bereits ab IT-Leistungen kleiner RZ von 140 kW. Selbst diese niedrig erscheinende Leistung reicht bereits, um rund 10.000 m2 neue Wohnfläche mit Wärme zur Heizung und für Brauchwarmwasser zu versorgen.

Bei mittleren Rechenzentren mit 900 kW sind es sogar 66.000 m2, bei Hyperscalern mit einer mittleren Betriebsleistung von 7,5 MW theoretisch sogar 485.000 m2.

Auch wenn es sich bei den Angaben um erste Näherungswerte handelt, die natürlich im Einzelfall unter Zugrundelegung der individuell vorhandenen Netz- und Bedarfsstrukturen zu verifizieren sind, zeigen sie, dass interessante Potentiale bestehen, die im Bereich Hyperscaler vielleicht sogar zu groß erscheinen. Oder auch nicht? In Skandinavien geht so etwas [3]. In Stockholm werden 10.000 Wohneinheiten mit Abwärme aus einem Verbund von mehr als 30 Rechenzentren versorgt. Bei 80 m2 Wohnungsgröße sind das ca. 800.000 m2 beheizbare Fläche.

Da bietet die Situation in Deutschland noch Luft nach oben. Im großflächigen Wohnbereich in Deutschland wurde erst ein Projekt mit 400 Wohnung [6] umgesetzt, in Westville bei Frankfurt [7] wird gerade das zweite mit 1.300 Wohnungen realisiert.

Temperaturniveaus der Abwärme - die Angebotsseite

Wie kommt nun die Abwärme vom RZ in die Wohnungen? Lässt sich die Wunschvorstellung, die Abwärme direkt zu nehmen, in ein Verteilnetz einzuspeisen, und damit Wohnungen zu beheizen, umsetzen? Die Realität sieht anders aus. 90 % der Rechenzentren sind luftgekühlt, nur rund 10 % der IT-Landschaft wird direkt mit Wasser konditioniert. Die Kälte wird bei den RZ Kategorien 1 und 2 meist über DX Einheiten erzeugt, bei den großen Anlagen über Kaltwassersätze.

Durch thermisch höher belastbare IT-Komponenten und konsequente Kalt- Warmgangtrennung in den white space Bereichen haben sich die Zulufttemperaturen luftgekühlter Rechenzentren im Vergleich von vor 10 Jahren von 22 °C auf mittlerweile 26 – 27 °C erhöht. Die Kühlwassertemperaturen der Kälteerzeuger liegen üblicherweise im Vorlauf bei 16 – 19 °C, im Rücklauf bei 23 – 25°. Als Abwärmepotential steht so ein Temperaturniveau von max. 25 °C Wassertemperatur zur Verfügung.

Server mit Wasserdirektkühlung sind im Standard RZ mit einem Anteil von 5% die Ausnahme. Obwohl das Temperaturniveau, das dort erreicht wird mit Werten zwischen 50 und 60 °C, ideal für eine direkte Nutzung geeignet wäre [8].

Wassergekühlt sind auch die High Performance Computer, meist in Wassertemperaturbereichen von 30 bis 45 °C, deren Anteil auch bei rund 5 % liegt. Hier findet man einige Abwärmenutzungen im universitären Bereich, die aber meist nur kleine Teilmengen des Wärmepotentials nutzen.

Damit ist die Zielsetzung klar definiert: Sollen Lösungen für eine Abwärmenutzung im großen Stil gefunden werden, dann müssen diese auf absehbare Zeit für luftgekühlte Rechenzentren mit 25 °C nutzbarem Wassertemperaturniveau entwickelt werden.

Was gibt es in Deutschland – die Abnehmerseite

Die naheliegendste Lösung ist die Anbindung von RZ an bestehende Fernwärmenetze.

Die vorhandene Netzstruktur zeigt allerdings in weiten Bereichen keine Kongruenz mit Rechenzentrumsstandorten.

Abwärmenutzung Karte
Abwärmenutzung Karte
 

Bild: Kongruenz von Fernwärmeleitungen [9] und Rechenzentren [10]

Hinzu kommt das Alter der Fernwärmenetze und die hohen Betriebstemperaturen. Die meisten stammen aus der Generation 1 -3 mit Wassertemperaturen von rund 100 °C und damit verbundenen hohen Wärmeverlusten. Nur wenige der Generation 4 haben ein niedrigeres Temperaturniveau von 60 -70 °C. LowEx - oder Anergienetze der Generation 5.0 mit Betriebstemperaturen von 25°C, in die die Abwärme luftgekühlter RZ direkt eingespeist werden könnte, sind in Deutschland so gut wie nicht vorhanden.

Diese neue Generation von Netzen, die kaum einer Wärmedämmung bedürfen, meist Sektoren koppeln, arbeiten zudem oft bidirektional und nutzen die warme und kalte Seite bezeichnenderweise ist auch hier Schweden Vorreiter, aber auch in London, München und Berlin erfolgt die Realisierung derartiger Versorgungsstrukturen. Im Teilnahmewettbewerb für die Energieversorgung des Campus West der Universität Aachen aus dem Juli 2021 wird ein solches Anergienetz – also ein kaltes Fernwärmenetz mit Sektorkopplung des zukünftigen RZ, sogar explizit ausgeschrieben [11].

Die Anbindung an Netze mit Betriebstemperaturen von 100°C erfordert zwangsläufig eine aufwändige Wärmepumpenkaskade. Die dann noch erreichbaren Gesamt-Jahresarbeitszahl AZ von 2,25 machen in Verbindung mit den hohen Wärmeverlusten der Netze, sowohl ökologisch als auch ökonomisch wenig Sinn. Die CO2 Emissionen liegen im Bereich von Gaskesseln, alleine die Energiekosten für die Erzeugung, ohne Berücksichtigung der Investitionen, liegen bei deutschen Strompreisen von 0,17 €/kWh um 7 ct/kWh. Dazu addieren sich noch die Aufwendungen für die Infrastruktur.

In Schweden mit CO2-Emissionsfaktoren für die Stromerzeugung, die mit 10 g/kWh mal gerade 2,5 % so hoch wie in Deutschland sind, und Strompreisen von 6 ct/kWh kann man so etwas eher praktizieren.

Gelingt es mit einer einstufigen Wärmepumpe das Betriebsniveau von 60 -70 °C zu erreichen, lässt sich die Bilanz deutlich verbessern. JAZ Werte von 4,5, liegen im Bereich des Möglichen.

Ideale Voraussetzungen bieten nur die kalten Anergie oder die LowEx Netze. Hier wird die Wärme nicht zentral erzeugt, sondern gebäude- oder wohnungsweise. Der Temperaturhub aus dem 25 °C warmen Netz ist mit 10 – 20 K geringer, Jahres arbeitszahlen von 7 – 9 sind erreichbar. Die Energieeffizienz 3,5-mal so hoch wie bei der Wärmepumpenkaskade.

Die CO2 Emissionen sinken auf Werte um 50 g/kWh, der Produktionspreis auf 1,9 ct/kWh.

Tabelle: Energie- und Umweltbilanz Netzanbindung (Quelle: Dieter Thiel)
Tabelle: Energie- und Umweltbilanz Netzanbindung (Quelle: Dieter Thiel)

Fazit

Sämtliche deutsche Rechenzentren brauchen aktuell 16 Milliarden kWh Strom jährlich und emittieren 6,5 Mio. Tonnen CO2 (Strommix). Alleine kleine, mittlere und große Rechenzentren bieten an ihren Standorten ein ausreichendes Abwärmepotential, das in Summe für die Beheizung von 1,1 Mio. Wohnungen mit 80 m2 ausreicht.

Eine Nutzung der Rechenzentrumsabwärme in volkswirtschaftlich relevanter Größenordnung erfordert Lösungen für Abwärmetemperaturniveaus von 25 °C, wie sie bei luftgekühlten Rechenzentren auftreten, die auch auf absehbare Zeit einen Marktanteil von 90 % besitzen. Aktuell markieren singuläre Lösungen und Leuchtturmprojekte zwar das technisch Mögliche, bisher allerdings ohne nennenswerte Multiplikationschancen. Eine Abwärmenutzung für die Raumbeheizung in größerem Umfang existiert in Deutschland bisher so gut wie nicht.

Dabei ist die die Kombination der RZ mit geeigneten Nahwärmenetzen für die Gebäudebeheizung naheliegend, die zumindest im Winterhalbjahr eine Wärmeabnahme garantiert und im Sommer die Brauchwarmwassererwärmung unterstützt. Dies ist schon mit relativ kleinen Rechenzentren ab 140 kW IT-Leistung sinnvoll, mit denen knapp 10.000 m2 Wohnfläche beheizt werden können. Aber die Netzstruktur muss passen. Nahezu alle bisherigen Bestrebungen sind daran gescheitert, Niedertemperaturabwärme mühsam technisch aufzubereiten, um sie anschließend in Hochtemperaturfernwärmenetze pressen zu wollen.

Sind die CO2-Emissionen so hoch wie aktuell in Deutschland, scheiden die dazu erforderlichen 2-stufigen Wärmepumpenkaskaden sowohl ökologisch als auch ökonomisch als Lösung aus. Sie bieten keinen Vorteil gegenüber fossil erzeugter Wärme und verbessern die Energieperformance der RZ nur unwesentlich. Bei einstufigen Netzen wird die Bilanz besser. Den Durchbruch mit nennenswerter Effizienzsteigerung bringt nur die Kombination mit Anergie Systemen, wie sie aktuell in Skandinavien, in England und teils auch in Deutschland entstehen. Diese kalten Nahwärmenetzen benötigen keine aufwändige Wärmedämmung, werden mit 25°C im Vorlauf betrieben, mit dezentralen Wärmepumpen kombiniert und im Idealfall bidirektional genutzt.

Während bei 2-stufigen Wärmepumpenkaskaden die CO2 Emissionen mit 180 g CO2/kWh Wärme annähernd so hoch wie bei fossilen Energieträgern liegen und alleine die Gestehungskosten 7 ct/kWh betragen lässt sich in Anergie System Wärme mit nur 50 g CO2/kWh produzieren und kostet in der Gestehung weniger als 2 ct/kWh.


Der Autor

Dr. Dieter Thiel

Dr. Dieter Thiel
Head Of Competence 
Energy Concepts


Quellen [...]

  1. Hintemann, Borderstep 2020, Energiebedarf der Rechenzentren steigt trotz Corona weiter an 
  2. RAL 01.2019, Energieeffizienter Rechenzentrumsbetrieb, DE-ZU-161 
  3. Sara Wretborn, Stockholm Data Parks, 08.2017; Neues Rechenzentrum in Stockholm beheizt 10.000 Wohnungen 
  4. Erik Rylander, Stockholm Data Parks, DC Day 2019; Integrating Data Centers in the modern sustainable City 
  5. UBA, 2021, Stromverbrauch in Deutschland 
  6. Müller, Ostler, 05.04.2019, Datacenter Insider; RZ Abwärme versorgt 400 Wohnungen 
  7. Isabel Rittel, 2021, Rechenzentrum versorgt Neubauquartier Westville mit Wärme 
  8. Jens Strukmeier, Cloud and Heat, Vortrag 2019; Im Keller ist noch Platz 
  9. Fernwärmeleitungen; D5.1 Dataset Web-App (arcgis.com) 
  10. RZ Standorte; https://www.datacentermap.com/ 
  11. 07.2021; Teilnahmewettbewerb RWTH Aachen; Campus West Energieversorgung
 
 

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