Abwärme von Rechenzentren: Wie sie sich sinnvoll nutzen lässt

Mit intelligenten Nutzungskonzepten kann aus einem vermeintlichen Abfallprodukt eine wertvolle Ressource werden: Abwärme aus Rechenzentren

Das neue Energieeffizienzgesetz in Deutschland setzt auch auf die Nutzung der Abwärme von Rechenzentren. Das ist in mehrfacher Hinsicht sinnvoll, denn derzeit wird die Abwärme in den meisten Fällen ungenutzt an die Umgebung abgegeben. Mit intelligenten Nutzungskonzepten kann aus einem vermeintlichen Abfallprodukt eine wertvolle Ressource werden. Die Betreiber der Rechenzentren können mittelfristig Geld sparen und einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz leisten. Doch welche Nutzungsmöglichkeiten gibt es? Welche sind technologisch und wirtschaftlich sinnvoll? Und welche Hürden gilt es auf dem Weg dorthin zu nehmen?
Von Oliver Fronk, Teamkoordination bei Prior1

Rechenzentren sind ein wesentlicher Bestandteil der heutigen digitalen Welt. Sie erzeugen Abwärme, die bislang kaum genutzt wird. Doch nun müssen die Betreiber aktiv werden. Möglichkeiten zur Nutzung gibt es bereits. Eine ist etwa die Einspeisung der Wärme in Nah- und Fernwärmenetze.

Drei Nutzungsarten für die Abwärme

• Einspeisung in bestehende Wärmenetze

Eine vielversprechende Nutzung der Abwärme von Rechenzentren besteht in der Einspeisung in vorhandene Nah- und Fernwärmenetze. Auf diese Weise kann man thermische Energie für Warmwasser und Heizwärme in ganzen Quartieren bereitstellen. Die Voraussetzung für die Abwärmenutzung ist jedoch das Vorhandensein von Nah- und Fernwärmenetzen. Der Aufbau neuer Netze allein für diesen Zweck ist kostspielig und zeitaufwendig. Doch in Deutschland gibt es bereits rund 1'400 Fernwärmenetze.

Bei Nah- und Fernwärmenetzen unterscheidet man zwischen klassischer Nahwärme, kalter Nahwärme und Fernwärme. Der Übergang ist fließend, und der Unterschied liegt in der Größe der Netze, nicht in der Funktionsweise. Die Hürden für die Abwärmenutzung liegen in der Temperaturdifferenz. Häufig sind Wärmepumpen erforderlich, um das Temperaturniveau anzugleichen. Auch die Stromkosten müssen Berücksichtigung finden. Der Ausbau erneuerbarer Energien könnte die Investitionen begünstigen. Nordische Länder haben bereits Erfahrung mit Fernwärme aus Rechenzentren. Stockholm etwa hat über 30 angeschlossene Rechenzentren.

• Direkte Erzeugung der Abwärme am Verwendungsort durch Distributed Computing im Edge-Zeitalter

Innovationen in der Abwärmenutzung haben zur Erprobung von Geschäftsmodellen geführt, bei denen dezentrale Computersysteme als Wärmeerzeuger dienen. Im Gegensatz zu großen Rechenzentren werden hierbei kleine Computeranlagen verwendet, um beispielsweise Wasser in Häusern oder Schwimmbädern zu erwärmen. Unternehmen wie Cloud & Heat aus Dresden, Deepgreen Energy und Heata aus dem Vereinigten Königreich haben bereits erfolgreiche Projekte realisiert und zeigen damit das Potenzial dieser innovativen Ansätze auf. Für IT-Verantwortliche lohnt es sich, diese Entwicklungen im Auge zu behalten und zu prüfen, ob solche Lösungen auch für ihre spezifischen Anforderungen geeignet sind.

• Direkte Nutzung im Gebäude oder in direkter Nachbarschaft

Eine weitere Möglichkeit, die man in Betracht ziehen kann, ist die Abwärmenutzung in eigenen oder direkt angrenzenden Gebäuden. Eine genaue Bestandsaufnahme ist dabei der erste Schritt.

Der Abwärmenutzungscheck: Bestandsaufnahme für effiziente Nutzung

Um zu ermitteln, wo sich die Abwärme aus dem Rechenzentrum sinnvoll nutzen lässt, ist eine gründliche Bestandsaufnahme erforderlich. Dabei müssen grundlegende Fragen beantwortet werden: Wo wird im Gebäude Wärme benötigt und wie hoch ist der Bedarf? Gibt es möglicherweise auch in der Nachbarschaft Verwendungsmöglichkeiten? Welche Temperaturen sind für die verschiedenen Anwendungen erforderlich? Darüber hinaus ist es wichtig, das Abwärmeaufkommen und die Temperatur aus dem Rechenzentrum zu quantifizieren. Die Herausforderung besteht darin, die Abwärme so abzukoppeln und weiterzuverwenden, dass die Verfügbarkeit des Rechenzentrums nicht beeinträchtigt wird.

Sinnvolle Arten der Wärmeverwendung

Die Abwärme kann für frostfreie Rampen oder Heizungssysteme genutzt werden. Ebenso lassen sich Lüftungsanlagen mit Abwärme ergänzen. In manchen Fällen kann die warme Abluft aus dem Rechenzentrum angrenzende Räume erwärmen. Zudem lässt sich aus Abwärme Kälte erzeugen, die zur Kühlung des Rechenzentrums oder angrenzender Gebäude, zum Beispiel Produktions- oder Lagerhallen, genutzt werden kann.

Einsatz von Eisspeichern und Expertenbewertung

Die Abwärmenutzung lässt sich auch mit Eisspeichern kombinieren, um die Effizienz weiter zu steigern. Prior1 hat bereits Erfahrungen mit Eisspeichern am eigenen Standort gesammelt und ein Konzept zur Kombination von Abwärmenutzung aus dem Rechenzentrum mit einem Eisspeicher für ein Quartiersprojekt in einer Großstadt entwickelt. Unternehmen sollten für ihre Abwärmeprojekte auf die Erfahrung von Experten setzen, um somit die wirtschaftlichste Lösung zu finden und eine möglichst effiziente Wärmeverwendung zu gewährleisten.

Effizienzsteigerung durch Wasserkühlung im Rechenzentrum

Eine für alle drei genannten Nutzungsarten geeignete Möglichkeit der Effizienzsteigerung ist die Wasserkühlung. Wasserkühlung hat das Potenzial, die Leistung und Energieeffizienz von Computern im Rechenzentrum erheblich zu verbessern. Im High-End-PC-Bereich ist die Verwendung von Flüssigkeitskühlung bereits bekannt und beliebt. Eine weiterführende Methode, um die Effizienz der Wärmeübertragung zu steigern, ist die direkte On-chip-Kühlung, bei der das Wasser direkt auf den Chips eingesetzt wird.

Trotz der Vorteile der Wasserkühlung gibt es bisher nur begrenzte Anwendungsfälle im professionellen Bereich. Dies liegt vor allem an den üblichen Bedenken bezüglich Wasserkühlung, wie dem Risiko von Leckagen, den höheren Kosten im Vergleich zur Luftkühlung und der erhöhten Komplexität bei der Wartung. Zusätzlich besteht ein Mangel an standardisierten Prozessen, was die Einführung erschwert.

Heißwasserkühlung als zukunftsweisende Lösung

Ein vielversprechendes Beispiel für die Weiterentwicklung der Abwärmenutzung ist das Projekt HotFlAd. Hier wird die von der Thomas Krenn AG entwickelte Hot-Fluid Computing-Technologie eingesetzt, um die Wärme von Servern an Wasser abzugeben. Das Wasser lässt sich dann mit Temperaturen von über 55°C an anderer Stelle nutzen. Die Verwendung von Heißwasserkühlung erleichtert die Integration in Fernwärmenetze und minimiert den Bedarf an Wärmepumpen oder erhöht deren Effizienz erheblich.

Ebenfalls vielversprechend ist die Immersionskühlung. Dabei werden die Komponenten in eine nicht leitende Flüssigkeit eingetaucht, ähnlich wie bei der bekannten Ölkühlung im PC-Enthusiast-Bereich. Diese Methode bietet eine effiziente und sichere Möglichkeit, die Wärme abzuführen und gleichzeitig die Leistungsfähigkeit der Systeme zu verbessern.

Wirtschaftlichkeitsbetrachtung anhand eines Praxisbeispiels: Deutscher Baustoffhersteller

Ein mittelständisches deutsches Unternehmen in der Baustoffindustrie betreibt ein eigenes Rechenzentrum, das 2017 in Betrieb ging. Um die Potenziale zur Nutzung von Abwärme auf allen Ebenen zu erkunden, beauftragte das Unternehmen Prior1 mit einem Abwärmecheck. Das Rechenzentrum umfasst 44 Serverracks und verwendet eine indirekte freie Kühlung. Die aufgenommene Leistung der Server wird nahezu komplett in Wärme umgewandelt und durch ein Kaltwassersystem abgeführt. Insgesamt beträgt die Abwärme des Rechenzentrums konstant 65 kW und muss dauerhaft abgeführt werden.

Die Nutzung dieser Abwärme bietet dem Unternehmen erhebliche wirtschaftliche Vorteile. Unter der Annahme, dass ein Viertel der Wärme zurückgewonnen werden kann, würde das Unternehmen selbst bei einem konservativen Energiepreis von 6 Euro-Cent pro Kilowattstunde Wärmeenergie jährlich rund 10'500 Euro einsparen. Für Unternehmen, die höhere Preise für Wärmeenergie zahlen müssen, sieht die Rechnung noch besser aus. Angesichts steigender Energiekosten, insbesondere durch eine zu erwartende hohe CO2-Bepreisung, wird die Nutzung von Abwärme zudem in Zukunft immer attraktiver.

Empfehlung: Abwärme in vorhandene Lüftungsanlagen einbinden

Das Unternehmen hat verschiedene Möglichkeiten, die Abwärme effizient zu nutzen. Prior1 empfiehlt die Einbindung der Abwärme in die vorhandenen Lüftungsanlagen. Dabei könnten die drei Lüftungsanlagen in unmittelbarer Nähe des Rechenzentrums von der Wärme profitieren. Eine Wärmepumpe könnte die Abwärme in den Anlagen nutzen und somit deren Heizleistung reduzieren. Dies würde dann zu erheblichen Einsparungen bei der Wärmeenergie führen.

Neben der Verwendung der Abwärme auf dem eigenen Gelände bestehen darüber hinaus Möglichkeiten zur Zusammenarbeit mit anderen Unternehmen in der Nachbarschaft. Beispielsweise könnte die Abwärme zur Beheizung von Schwimmbädern oder zur Unterstützung von Gewächshäusern für Vertical Farming genutzt werden. Es gibt bereits erfolgreiche Beispiele, bei denen Unternehmen ihre Abwärme für die Produktion von Blaualgen oder die Aufrechterhaltung der Wassertemperatur in Hummer- und Fischfarmen einsetzen.

Nachhaltige und wirtschaftlich sinnvolle Nutzung von Ressourcen

Das Beispiel zeigt, dass die Nutzung der Abwärme aus Rechenzentren erhebliche finanzielle Vorteile bieten kann. Nicht nur können Unternehmen ihre Energiekosten reduzieren, sondern auch in Zusammenarbeit mit anderen Branchen innovative Lösungen für die Nutzung der Abwärme finden. Die Einbindung der Abwärme in bestehende Systeme und die Zusammenarbeit mit Nachbarunternehmen sind Schritte in Richtung einer nachhaltigen und wirtschaftlich sinnvollen Nutzung von Ressourcen.

Alle Details zur Wirtschaftlichkeitsberechnung und zu diesem Thema erhalten Sie im Prior1-Whitepaper „Abwärmecheck und Konzepte zur Abwärmenutzung im Data Center“, das Sie hier kostenlos herunterladen können: https://prior1.com/downloads/whitepaper-abwaermenutzung-im-rechenzentrum/

Erfahren Sie hier mehr über die optimale Klimatisierung von Rechenzentren.

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