Abwärme aus Rechenzentren sinnvoll nutzen
Allein in Deutschland produzieren Rechenzentren riesige Mengen an Wärme, die ungenutzt an die Umwelt abgegeben wird. Bislang war es wirtschaftlich nicht sehr interessant, diese Abwärme zum Heizen von Wohnungen und Büros zu nutzen. Das hat sich in Zeiten der Energiekrise und mit Blick auf neue Techniken verändert.
In einem Rechenzentrum wie diesem entsteht jede Menge Wärme, die zum Beispiel zum Heizen von Wohnungen oder Büros genutzt werden kann.
Foto: Panthermedia.net/shock
Allein in Deutschland lag 2021 der Stromverbrauch von Rechenzentrum laut Borderstep Institut bei 17 Milliarden Kilowattstunden, in ganz Europa summiert sich der Strombedarf auf 87 Milliarden Kilowattstunden – Tendenz steigend. Ein Großteil dieses Stroms wird in den Servern und anderen Geräten im Rechenzentrum in Wärme umgewandelt. Diese wird dann meist mit zusätzlichem Aufwand an die Außenluft abgegeben. Eine gewaltige Energieverschwendung, die mit gewaltigen CO2-Emissionen einhergeht. Laut Schätzungen sollen diese jährlich bei 100 bis 500 Millionen Tonnen CO2-Äquivalenten weltweit liegen. Gerade auch im Hinblick auf die durch den Krieg in der Ukraine hervorgerufene Energiekrise werden nun die Anstrengungen verstärkt, die Abwärme aus Rechenzentren sinnvoll zu nutzen. Insbesondere die Einspeisung ins Fernwärmenetz ist hier zu nennen.
Das ist der derzeitige Stand
Bislang ist es so, dass es sich für die Betreiber von Rechenzentren wirtschaftlich kaum lohnte, die Abwärme zu nutzen bzw. in ein bestehendes Fernwärmenetz einzuspeisen. Hinzu kommt, dass die Abnehmer für die Wärme häufig fehlen. Das liegt auch daran, weil die vorhandenen (älteren) Fernwärmenetzte oft ungeeignet sind, Wärme auf niedrigem Temperaturniveau aufzunehmen. Durch die hohen Energiekosten haben sich die Vorzeichen jedoch geändert, zumal das Klimabewusstsein in der Bevölkerung wächst. So gibt es bereits einige Modellprojekte, in denen die Abwärmenutzung erfolgreich umgesetzt wurde.
Die Big-Player Amazon, Apple, Microsoft oder Meta (Facebook) haben bereits vor zwei, drei Jahren damit begonnen, einige ihrer großen Rechenzentren ans Fernwärmenetz anzuschließen. Dass solch ein Schritt nicht nur den ganz Großen vorbehalten ist, zeigt zum Beispiel Stockholm. Allein in der schwedischen Hauptstadt gibt es aktuell 30 Rechenzentren, die diesen Schritt bereits vollzogen haben. Das könnte ein Vorbild dafür sein, was bei uns und im restlichen Europa noch alles möglich ist.
Um die Abwärmenutzung hierzulande voranzubringen, braucht es eine Zusammenarbeit von Politik, Unternehmen, Energieversorgern, Projektentwicklern und Kommunen. In punkto Politik werden gerade erste Schritte unternommen. So befindet sich die Europäische Union in der Endphase der Verhandlungen über eine neue Richtlinie in Sachen Energieeffizienz. Sollte alles so kommen, wie geplant, sind die Betreiber von Rechenzentrum verpflichtet, zumindest Machbarkeitsstudien zur Nutzung ihrer überschüssigen Wärme durchzuführen. Es kann daher sein, dass wir bald mit dem Internet unsere Wohnungen und Büros heizen.
Welches Potenzial hat die Abwärmenutzung?
Laut einer Studie von ReUseHeat im Auftrag der Europäischen Union, könnten Rechenzentren bis zu 50 Terrawattstunden überschüssige Wärme pro Jahr liefern. Dies würde etwa zwei bis drei Prozent der Energie entsprechen, die Haushalte in der EU im Jahr 2020 für die Gebäudeheizung verbraucht haben. Nun geht es darum, Konzepte zu erstellen, wie eine Abwärmenutzung so umgesetzt werden kann, dass alle Parteien damit zufrieden sind. Dazu gehört es auch eine Modernisierung der Wärmenetze, damit die Betreiber die Wärme aus niedrigerem Temperaturniveau aus den Rechenzentren aufzunehmen.
Das Borderstep Institut hat im Jahr 2022 ein Hintergrundpapier genau zu diesem Thema veröffentlicht – genauer gesagt geht es um die Wirtschaftlichkeit der Abwärmenutzung aus Rechenzentren in Deutschland. Das Institut empfiehlt hier einen Blick ins Ausland zu wagen, insbesondere nach Stockholm. Wie bereits geschrieben, waren dort bereits vor einigen Jahren 30 Rechenzentren ans Fernwärmenetz angeschlossen. Die Verfasser des Hintergrundpapiers sehen auf jeden Fall großes Potenzial bei der Abwärmenutzung:
„Schon heute könnte in der Stadt Frankfurt a.M. theoretisch mehr als 20 Prozent des Wärmebedarfs für Haushalte, Gewerbe, Handel und Dienstleistungen durch Rechenzentren gedeckt werden. Und es ist absehbar, dass die Abwärme aus Rechenzentren ausreichen würde, um in Zukunft alle Wohngebäude in Frankfurt a.M. mit Wärme zu versorgen.“ Dr. Ralph Hintemann, Borderstep Institut
Wie lässt sich die Abwärme wirtschaftlich nutzen?
Wie bereits geschrieben, war es für die Betreiber von Rechenzentren eine Abwärmenutzung in der Vergangenheit nicht wirtschaftlich umsetzbar. Steigende Energiepreise und Fördermaßnahmen, wie sie vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) durchgeführt werden, können hier für ein Umdenken sorgen. Ein weiterer Ansatzpunkt wäre die Senkung des Strompreises für den meist notwendigen Betrieb von Wärmepumpen. Weitere Möglichkeiten bietet eine verbesserte Technik.
Hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit von luftgekühlten Rechenzentren kommt das Borderstep Institut zu dem Ergebnis, dass eine Abwärmenutzung bereits heute wirtschaftlich rentabel sein kann. Dazu muss es allerdings gelingen, eine möglichst hohe Temperatur der Abwärme im Rechenzentrum zu erhalten und auf der Abnehmerseite mit möglichst geringen Temperaturen zu arbeiten. Dazu sollten die Stromkosten für den Betrieb der Wärmepumpe möglichst unter 3 Cent pro erzeugter Kilowattstunde Wärme liegen, damit es sich rentiert.
Ein technischer Ansatz sind zudem Rechenzentren mit Heißwasserkühlung. Sie haben den Vorteil, dass keine Wärmepumpe und somit auch kein Strom notwendig ist, um das Wasser auf das benötigte Temperaturniveau zu bringen. Bei der Flüssigkeitskühlung von Servern erwärmt sich das Wasser auf rund 60 Grad Celsius. Diese Wärme kann direkt für viele Zwecke genutzt werden. Insbesondere im Bereich von High Performance Computings werden schon heute viele Serversysteme mit Wasser gekühlt und nicht mehr mit Luft.
Was bringt die Zukunft?
Das Borderstep Institut wagt in seinem Positionspapier auch einen Blick in die Zukunft und erwartet, dass sich die Wirtschaftlichkeit der Abwärmeeinspeisung aus Rechenzentren in den kommenden Jahren deutlich verbessern wird. Das Institut nennt hierfür drei wesentliche Entwicklungen:
- Es ist zu erwarten, dass die Abwärmetemperatur in den Rechenzentren in den kommenden Jahren deutlich zunehmen wird. Das liegt zum Beispiel an der Ausweitung von Künstlicher Intelligenz oder andere Anwendungen im High Performance Computing. Durch höhere Leistungsdichte steigt auch die Temperatur. Diese wird vermehrt durch Flüssigkeiten runtergekühlt.
- Bislang haben Fernwärmenetze häufig Vorlauftemperaturen von 100 bis 110 Grad Celsius. Um die Effizienz zu steigern, werden diese in den nächsten voraussichtlich auf 70 bis 80 Grad Celsius abgesenkt. Möglich wird das durch bessere Heiztechnik und Dämmstandards im Gebäudebestand. Zudem sollen Nahwärmenetze mit noch deutlich niedrigeren Vorlauftemperaturen weiter ausgebaut werden.
- Durch die steigenden Kosten für die Wärmeerzeugung mit fossilen Energieträgern wie Erdgas und Heizöl wird die Abwärmenutzung aus Rechenzentren zunehmend wirtschaftlicher. Das betrifft nicht nur allein den Preis für Erdöl oder Gas, sondern auch die CO2-Abgabe. Sie wird von heute 25 Euro pro Tonne bis 2025 auf 55 Euro pro Tonne steigen.
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