Rechenzentren als Abwärmequellen

ABWÄRME: WENIGER ALS DIE HÄLFTE WIRD GENUTZT

Rund 20% der in RZ hineingesteckten Energie fällt unmittelbar wieder als Abwärme an. Diese wird immer noch viel zu wenig genutzt: Selbst bei den neuen RZ nutzen nur die Hälfte die Abwärme, bei älteren Anlagen lediglich rund 20% [1]. Dabei ist die Abwärmenutzung sogar gleich mehrfach sinnvoll: Der RZ-Betreiber kann den aktiven Kühlbedarf seiner Rechner reduzieren und dadurch viel Strom einsparen. Mit der abgegebenen Abwärme kann eine Vielzahl von Gebäuden mit einem Wärmeverbund sicher und zuverlässig beheizt und gleichzeitig auch gekühlt werden. Dadurch können die CO₂-Emissionen drastisch gesenkt und ein wesentlicher Beitrag zum Netto-null-Ziel geleistet werden. In jüngster Zeit ist ein weiterer wichtiger Vorteil von solchen Wärmeverbünden mit einheimischen Energiequellen in den Vordergrund gerückt, nämlich die Verminderung der Abhängigkeit zum Ausland.
Fachleute gehen davon aus, dass der Stromverbrauch der Rechenzentren hierzulande trotz Energieeffizienz in den nächsten Jahren von 2,1 TWh/a auf 2,7 bis 3,5 TWh/a oder auf rund 5 bis 6% des Stromverbrauches in der Schweiz steigen wird [1]. Im Ausland wird z. T. mit weit höheren Prognosen gerechnet, in Dänemark bis im Jahre 2030 mit 15% und in Irland bis 2029 mit 27% [5].
Angesichts dieser Entwicklungen wird auch das Abwärmepotenzial der RZ weiter ansteigen. Um dieses vermehrt nutzen zu können, sollten die Rechenzentren in Siedlungsgebieten mit entsprechender Wärmedichte und Kältebedarf oder neben ausserordentlich grossen Wärmeverbrauchern gebaut werden, wie die nachfolgenden Beispiele in Opfikon/Rümlang oder Bern zeigen. Die Stadtwerke von Basel (IWB) verfolgen zur gleichen Zielsetzung noch eine ganz andere Idee, nämlich die Dezentralisierung der RZ mit vermehrter Abwärmenutzung.

Beispiele von Abwärmenutzung

Beispiel IWB: dezentrale, kleine Rechenzentren mit weitergehender Abwärmenutzung

Bei den grossen, zentralen Rechenzentren ist der nutzbare Anteil der anfallenden Abwärmemenge meist beschränkt, da in der Umgebung kaum ausreichend geeignete Abnehmer zu finden sind. Den umgekehrten Weg gehen die Industriellen Werke Basel IWB, indem sie kleinere dezentrale Einheiten mit erhöhter Abwärmenutzung vorschlagen [6]. Dass dies funktionieren kann, zeigen erste Pilotprojekte im praktischen Betrieb. Die Server werden im Keller von «normalen» Bauten untergebracht und die von den Servern erzeugte (Ab-)Wärme wird von einem Ölbad aufgenommen, an den Wärmespeicher abgegeben und von dort direkt für die Raumheizung und für das Warmwasser im Gebäude verwendet. Dank solchen Installationen kann die Abwärme des RZ weitgehend genutzt, die bestehende fossile Heizung ergänzt und der bisherige Erdöl- oder Erdgasverbrauch massiv reduziert werden.
Die Kommunikation zwischen den Minirechenzentren erfolgt digital, wobei die Datensicherheit durch Verschlüsselung und die Betriebssicherheit durch mehrere Server pro Minirechenzentrum gewährleistet wird. Für den Datencenterbetreiber ergibt sich damit der Vorteil, dass keine zusätzlichen Kosten für die Gebäude und deren Installationen (Kühlaggregate etc.) entstehen und die Daten im Inland bleiben. Gemäss IWB benötigen solche Minirechner keine Kältemaschinen, sodass der Strombedarf im Gegensatz zu einem klassischen RZ kleiner ist, obwohl die Server für ihren eigenen Betrieb gleich viel Strom benötigen.
Für den Gebäudebesitzer liegt der Vorteil in einer sicheren, klimafreundlichen Wärmeversorgung, sodass die heutigen und auch die zukünftig strengeren Energievorschriften erfüllt werden und die Unabhängigkeit vom Ausland reduziert wird. Nicht zuletzt ist die Serverheizung bei diesem Projekt mit 24 kW im Vergleich zum Einsatz von Wärmepumpen, Fernwärme, Pellets, Erdgas und Heizöl am günstigsten.
Diese Möglichkeiten der Energieoptimierung bezüglich IT-Infrastruktur und Gebäudetechnik werden im Rahmen des EU-Forschungsprojekts «ECO-Qube» mit Beteilung der Schweiz weiter untersucht [7].

BEISPIEL EBL: WÄRMEVERBUND AIRPORT CITY

Die Region Opfikon und Rümlang ist dicht überbaut, sodass es dort zahlreiche grössere Gebäude gibt, die zum Teil auch klimatisiert werden. Kein Wunder also, dass der Betriebsleiter der nahen Kläranlage Kloten-Opfikon, Michael Kaspar, sich schon seit längerer Zeit Gedanken über einen Abwasserwärmeverbund gemacht hat. Die Stadtwerke Energie Opfikon griffen diesen Gedanken auf. Zwischenzeitlich plante die Datenzenterunternehmung InterXion (Schweiz) GmbH in dieser Region ein grösseres Rechenzentrum, das über eine ausreichende Abwärmemenge für den geplanten Wärmeverbund verfügt. Zudem sind die Abwärmetemperaturen höher als bei Abwasser, sodass damit ein effizienterer Betrieb der Wärmepumpen erreicht werden kann. Für den geplanten Wärmeverbund wurde ein Contractor gesucht, der sich anstelle der Abwasserwärme der Abwärme aus dem RZ annahm. Aus der Ausschreibung ging die Genossenschaft Elektra Baselland (ebl) hervor, die Erfahrungen mit 47 Wärmeverbünden mitbringt, davon auch mit Abwärme aus Abwasser und Industrie.
Der Wärmeverbund soll dereinst 255 Wärme- und 40 Kältekunden versorgen und diesen 51 GWh/a Wärme bzw. 34 GWh/a Kälte liefern. Die Investitionen liegen bei rund 60 Millionen Franken. Die Anlage wird bivalent betrieben, neben den Grosswärmepumpen werden konventionelle Heizungen zur Spitzendeckung eingesetzt [8]. Mehr als 85% der Energie für den Wärmeverbund soll aus der Abwärme bzw. erneuerbarem Strom für die Wärmepumpen stammen, der Rest aus Erdgas oder Erdöl. Damit könnten im Endausbau jährlich rund 15'000 Tonnen CO₂ eingespart werden. Zudem wird durch den Wärmeverbund dem RZ kaltes Wasser zurückgeführt, was die Kühlung des RZ effizienter und umweltfreundlicher macht. Die Abwärme wird von InterXion kostenlos abgegeben.
Selbst angesichts der eindrücklichen Ausmasse dieses Wärmeverbundes in Opfikon könnte noch deutlich mehr Abwärme anderweitig genutzt werden. Beim Rechenzentrum wird eine lange Lebensdauer erwartet. Sollte – was heute niemand erwartet – die RZ-Abwärme doch einmal nicht mehr fliessen, so könnte notfalls auf die Abwasserwärme zurückgriffen werden, wie Tobias Andrist, CEO von ebl, ausführt. Zurzeit unterbreitet ebl den potenziellen Kunden ein klimafreundliches Wärmeversorgungsangebot. Es ist zu hoffen, dass bei diesem Vorzeigeprojekt schon bald ausreichend Energiebezüger einem Anschluss an den Verbund zustimmen, damit die Verantwortlichen von ebl per Jahresende einen positiven Realisierungsentscheid fällen können.

BEISPIEL NTS: MIT FÖRDERGELDERn ZUM WÄRMeVERBUND

Einen bewährten Wärmeverbund, der bereits seit sieben Jahren in Betrieb ist, bietet die Firma NTS Colocation AG in Bern. Sie betreibt mehrere Datencenter in der Schweiz, so auch in Bern. Firmenkunden erhalten hier Racks oder eigene Räume, wo sie ihre Server installieren und betreiben können. Der gesamte Stromverbrauch der Firma beläuft sich auf etwa 11 GWh pro Jahr, was dem Verbrauch von rund 2500 Durchschnittshaushalten entspricht. Das IT-Unternehmen sorgt unter anderem für die Netzwerkanbindung, eine gesicherte Stromversorgung sowie eine permanente Kühlung der Infrastruktur und ist bestrebt, die Anlagen möglichst energieeffizient und umweltfreundlich zu betreiben. So produziert die Firma über PV-Anlagen auf den Dachflächen eigenen Strom und bezieht ausschliesslich Strom aus erneuerbaren Energien. Zudem verfügt die Firma über moderne Turbocor-Verdichter für die Kälteproduktion und wendet das Kaltgangprinzip für die Kühlung an. Dabei stehen sich die Vorderseiten der IT-Schränke gegenüber, die Abwärme des eingebauten IT-Equipments wird frei in das Rechenzentrum abgegeben. Die erwärmte Luft im Raum steigt nach oben und sammelt sich wie eine Art Warmluftpolster unterhalb der Decke. Von dort aus kann die warme Luft mittels Raumklimaanlage abgesaugt, gekühlt und anschliessend über einen Doppelboden wieder in den Kaltgang zwischen den IT-Schränken eingespeist werden. Die Wärme wird dann von den Kältemaschinen über Rückkühler auf dem Dach abgeführt. Die charakteristische Kaltgangeinhausung vermeidet die Vermischung von Warm- und Kaltluft, wodurch das System eine effiziente Kühlung erreicht [9].

Förderung durch die Stiftung KliK

Seit 2014 wird mit der Abwärme der Server und weiterer IT-Komponenten von NTS Colocation AG das ganze Gebäude, in dem sich das Rechenzentrum befindet, monovalent beheizt mit rund 260 MWh pro Jahr. Um das restliche Abwärmepotenzial auszuschöpfen, plante NTS zusätzlich den Aufbau eines Wärmeverbundes und meldete das Projekt bei der Stiftung Klimaschutz und CO₂-Kompensation KliK an, die nun der IT-Firma pro reduzierte und vom Bundesamt für Umwelt BAFU bescheinigte Tonne CO₂ 100 Franken bezahlt. Umgerechnet sind das häufig knapp zwei Rappen pro kWh oder ca. 10 bis 20 Prozent der Gestehungskosten [9]. Der Wärmeverbund liefert jährlich etwa 800 MWh Wärme an umliegende Bezüger der beiden Quartierstrassen Chutzen- und Schwarzenburgstrasse in Bern [10]. Die Heizzentrale wird dabei monovalent betrieben, denn die einzelnen Bezüger nutzen ihre bestehenden Gaskessel nach wie vor für die Spitzenlast. Durch die Abwärme aller RZ des NTS werden rund 170'000 Liter Erdöl eingespart. Gemäss Prognose können bis zum Jahr 2030 über 2100 Tonnen CO₂ eingespart werden. Die absehbaren Fördergelder der Stiftung KliK von insgesamt rund 210 000 Franken waren dabei ausschlaggebend für den Entscheid zur Realisierung des Projekts (s. Box unten).

SCHLUSSBEMERKUNG

Rechenzentren brauchen enorme Strommengen, dabei fällt ein grösserer Teil ungenutzt als Abwärme an. Diese Abwärme gilt gemäss dem Bundesamt für Energie als CO₂-frei. Die Wärmemengen von Rechenzentren sind derart beeindruckend, dass ein relevanter Anteil nur mit sehr grossen Wärmeverbünden genutzt werden kann. Mit solchen Energieverbünden kann in diesen Gemeinden ein bedeutender Beitrag zu den Zielen netto null erzielt werden. Diese Chance soll genutzt werden, indem bei allen bestehenden Rechenzentren überall die Möglichkeiten für den Auf- und Ausbau von Wärmenetzen genauer geprüft werden und bei neuen RZ bei der Wahl des Standortes berücksichtigt wird, dass sich rund um die Anlage ausreichend Wärmeabnehmer in dicht überbauten Siedlungen befinden. Begünstigt wird der Bau von Wärmeverbünden durch die Förderung von der Stiftung KliK, mit dem Beitragsrechner können die Förderbeiträge rasch und einfach ermittelt werden [11].

Bibliographie

[1] Jakob, M.; Müller, J.; Altenburger, A. (2021): EnergieSchweiz, Rechenzentren in der Schweiz – Stromverbrauch und Effizienzpotential, im Auftrag des Bundesamtes für Energie, BFE
[2] Safe Host (2021): Medienmitteilung vom 9. April 2021, https://www.safehost.com/insights/new-data-center-project-in-beringen/
[3] Schürmann, P. (2021): Trotz Stromsparen mehr Verbrauch wegen Rechenzentrum, Fernsehen SRF, Regionaljournal Zürich Schaffhausen vom 27.12.2021, https://www.srf.ch/audio/regionaljournal-zuerich-schaffhausen/trotz-stromsparen-mehr-verbrauch-wegen-rechenzentrum?id=12113264
[4] Müller, E.A.; Vogelsanger, M. (2018): Abwasserwärme für eine ganze Region, Aqua & Gas 9/18
[5] Huwiler, S. (2021): Rechenzentren fressen enorm viel Strom, Tages-Anzeiger 29. März 2021
[6] Born, D. (2020): IWB-Pilotprojekt Serverheizung - Umsetzung als Pilotprojekt «In den Ziegelhöfen 22»
[7] ECO-Qube (2022): Abwärme von Rechenzentren nutzen – Heizen beim Rechnen, https://www.empa.ch/web/s604/ecoqube
[8] Medienmitteilung ebl (2022): Die intelligente Kampfansage gegen CO₂ – InterXion und EBL spannen smart, nachhaltig und ökologisch für die Region Airport City zusammen. https://www.ebl.ch/de/ueber-uns/news/medienmitteilungen/kampfansage-gegen-co2-interxion-und-ebl-spannen-smart-nachhaltig-und-oekologisch-fuer-die-region-airport-city-zusammen
[9] Stiftung KliK (2020): Klimafreundliche Heizlösungen, Haustech 11/12, S. 36
[10] Vogelsanger, M. (2019): Wenn ein Rechner zur Heizung wird dank dem Förderprogramm Wärmeverbünde, Herausgeber HK Gebäudetechnik
[11] Stiftung KliK (2022): Beitragsrechner, Online-Tool: www.waermeverbuende.klik.ch/beitragsrechner