Moderne Datacenter zeichnen sich durch eine gestiegene Energieeffizienz (PUE) und verbesserte Kühltechnologien aus, was die nutzbare Abwärme deutlich erhöht. Für eine erfolgreiche Integration in Wärmenetze sind technische, wirtschaftliche und organisatorische Voraussetzungen zu beachten. Praxisbeispiele zeigen: Eine vorausschauende Zusammenarbeit zwischen RZ-Betreibern und Energieversorgern macht die nachhaltige Nutzung von Abwärme möglich.

André Flückiger, Roland Wittwer*; Red. Bearbeitung: Phase5

Die fortschreitende Digitalisierung führt zu einem rasanten Wachstum von Rechenzentren (RZ) in der Schweiz und damit zu einem erhöhten Stromverbrauch. Die Nutzung der dabei entstehenden Abwärme bietet ein beträchtliches Potenzial zur Dekarbonisierung des Energiesystems und kann zur Versorgung von Haushalten beitragen. Der steigende Stromverbrauch macht die Nutzung der entstehenden, CO₂-neutralen Abwärme besonders attraktiv. Diese Wärme kann als planbare Energiequelle eingesetzt werden und trägt zur Dekarbonisierung des Energiesystems bei – vorausgesetzt, sie wird tatsächlich genutzt. Zudem steigen die Anforderungen an Effizienz und Nachhaltigkeit, wodurch die Abwärmenutzung immer wichtiger wird.

Eine wichtige Kennzahl

In der RZ-Branche taucht häufig der Begriff Die Power Usage Effectiveness (PUE) auf. Die PUE ist eine Kennzahl zur Bewertung der Energieeffizienz eines Rechenzentrums. Sie berechnet sich als Verhältnis zwischen dem gesamten Energieverbrauch des Gebäudes und dem Energieverbrauch der IT-Ausstattung: Je näher der Wert an 1 liegt, desto effizienter arbeitet das Rechenzentrum. Mit der PUE lässt sich beurteilen, wie effizient ein Rechenzentrum Energie nutzt. Ein niedrigerer Wert bedeutet, dass weniger Energie für Infrastruktur wie Kühlung und Beleuchtung benötigt wird und mehr direkt für die IT genutzt wird. Im Zeitverlauf zeigt sich, dass moderne RZ durch technologische Verbesserungen und optimierte Betriebsführung deutlich effizienter geworden sind. Ältere RZ hatten oft hohe PUE-Werte, während neue Anlagen Werte nahe 1.1 erreichen.

Mehr Wärme zulassen und diese abschöpfen

Die beobachtbare Effizienzsteigerung erklärt sich nebst den Direktkühlsystemen auch durch die Anhebung der Raumlufttemperaturen im IT-Bereich. Man beachte folgende Entwicklung: Kältemaschinen älterer Bauart, die in Rechenzentren in Betrieb sind, brauchen rund einen Viertel des gesamten Stromverbrauchs der gesamten Anlage. Ein grosser Teil der dabei anfallenden Abwärme wurden über Rückkühler an die Aussenluft befördert; ein kleiner Teil wurde für das Beheizen von Büros und Nebenräumen verwendet.

In einem RZ der nachfolgenden Generation wird vermehrt Freecooling eingesetzt, womit der Betrieb stromintensiver Kältemaschinen eliminiert werden kann. Ein modernes RZ verzichtet also ganz auf den Einsatz von Kältemaschinen. Somit und durch die angehobenen Temperaturen steht mehr auskoppelbare Abwärme zur Verfügung, was die Nutzung des RZ als Energiequelle attraktiver macht.

Während in älteren RZ ein grosser Anteil des Stromverbrauchs auf Infrastruktur wie Lüftung und Kühlung entfällt, verwendet ein modernes RZ ein deutlich grösserer Teil des Stroms für die IT-Infrastruktur: Die nutzbare Abwärme steigt. Im Idealfall können nahezu 100% der IT-Abwärme genutzt werden – sofern die technischen Voraussetzungen stimmen.

Beträchtliches Versorgungs- und CO₂-Einsparpotenzial

Eine weitere Voraussetzung ist zudem die Nähe zu bestehenden aufzubauenden Wärmenetzen, damit die Abwärme ohne grosse Verluste eingespeist werden kann. Je nach Standort und raumplanerischer Entwicklungsperspektiven einer Gemeinde erschliesst sich für den RZ-Betreiber somit eine geschäftliche Opportunität oder eben nicht.

Angesichts des Ausbaus an Rechenzentren in der Schweiz in kurzer Zeit stieg auch deren Anteil am Stromverbrauch (schätzungsweise von 3,9% (2019) gegen 7% (2026)). Das Versorgungspotenzial aus Abwärme schätzen wir mittelfristig bei rund 200’000 Haushalten. Damit kann ein erheblicher Beitrag zur CO2-Einsparung geleistet werden. Die Wirtschaftlichkeit bleibt auch bei steigender Effizienz erhalten, da die verbleibende Abwärme gezielt genutzt werden kann, insbesondere wenn das Rechenzentrum in der Nähe eines Wärmenetzes liegt.

Mit oder ohne Wärmepumpe ins Netz

Um die aus dem RZ ausgekoppelte Abwärme zu nutzen, bestehen im Prinzip zwei Möglichkeiten. Um ein Hochtemperatur-Wärmenetz zu speisen (das beispielsweise im Vorlauf auf +65 bis +80°C gefahren wird), wird die Abwärme (ca. +20 bis +30°C) mittels einer Wärmepumpe auf die erforderliche Temperatur angehoben. Für Niedertemperatur-Wärmenetze (ca. +30°C) kann die Abwärme direkt oder mit geringem technischem Aufwand eingespeist werden.

Die Herausforderung besteht im Einzelfall darin, dass das theoretische Abwärmepotenzial oft grösser ist als das tatsächlich nutzbare Potenzial im Wärmenetz. Gründe dafür sind technische Grenzen, fehlende Netzanbindung oder insbesondere saisonale Schwankungen beim Wärmebedarf fürs Heizen.

Bedingungen, (Miss)-Erfolgsfaktoren

Erfolgsfaktoren für einen möglichst effizienten und permanenten Entzug der Abwärme sind der Einsatz von Flüssigkühlung, modulare Speicherlösungen für saisonübergreifende Nutzung und hohe Systemtemperaturen. Für die saisonale Speicherung bieten sich Erdsondenfelder an. So kann die Überschusswärme im Sommer als Saisonspeicher im Erdreich «gelagert» werden, ehe sie im Winterhalbjahr wieder genutzt werden kann. So wird die Abwärme des RZ maximal ausgenutzt und die Winterkapazität des Netzes auf Abwärmebasis erhöht. Gleichzeitig sinkt der (elektrische) Energiebedarf im kritischen Winterhalbjahr dadurch ab.

Auch ökonomische und rechtliche Fragen müssten geklärt werden, damit das Zusammenspiel zwischen einem RZ und einem Energieversorger gelingt. Als wichtige Faktoren seien hier genannt:

Klare und saubere Vertragsgestaltung der Energielieferungen und Übergabepunkte
Frühzeitige gemeinsame Projektentwicklung
Faires und transparentes Tarifsystem

Einige Misserfolgsfaktoren, die einer erfolgreichen Zusammenarbeit im Wege stehen könnten, müssen im Vorfeld eines Projekts schon aufgespürt werden: Zum einen sind das zu grosse Distanzen zwischen Abwärmequelle und Wärmenetz oder unklare Zuständigkeiten bei der Planung. Ein Spannungsfeld sind die unterschiedlichen Investitionshorizonte zwischen den Betreiber eines RZ (eine Dekade und mehr) und den Betreibern eines thermischen Netzes (30 bis 40 Jahre).  Allerdings bieten Rechenzentren ideale Voraussetzungen, um auch bei Betriebseinstellung darin effizient Wärme zu produzieren für das angeschlossene Wärmenetz.

Empfehlungen

Es empfiehlt sich, die Planung von Abwärmenutzung frühzeitig und gemeinsam zwischen RZ-Betreibern und Energieversorgern anzugehen. Die Nähe zu Wärmenetzen sollte bei der Standortwahl berücksichtigt werden. Technische Lösungen wie Flüssigkühlung und effiziente Wärmepumpen sind essenziell, ebenso wie transparente Vertrags- und Tarifstrukturen.

*André Flückiger ist CEO bei Eicher+Pauli, einem führenden Ingenieur- und Planungsbüro für Energieversorgung und Gebäudetechnik. Roland Wittwer ist Leiter dezentrale Energielösungen und Beratung bei Energie Wasser Bern (EWB).