Abwärmenutzung aus Rechenzentren: Heizen wir unsere Gebäude bald mit Suchanfragen?

Rechenzentren verbrauchen Unmengen an Energie – und erzeugen dabei auch viel Wärme. In Schweden werden bereits tausende Haushalte mit Serverwärme beheizt – wie kommt auch andernorts Fahrtwind in die Abwärmenutzung?

Autor Sarah-Indra Jungblut, 25.01.23

Schon mal ein Smartphone „heißtelefoniert“? Oder vor einem Laptop gesessen, dessen Lüftung so hochfährt, als würde er gleich abheben? Was hier passiert verdeutlicht, dass dort, wo große Datenmengen verarbeitet werden, Wärme entsteht. Und damit Geräte dadurch nicht überhitzen und Schaden nehmen, müssen sie gekühlt werden. Das gilt nicht nur für Smartphone, Laptop und Co., sondern auch für Rechenzentren. Auf riesigen Flächen steht hier Server an Server und alle sind damit beschäftigt, unermüdlich unsere Daten zu verarbeiten. Jede Suchmaschinenanfrage, jede E-Mail, jede noch so kleine Aktion, die online ausgeführt wird, wandert als Datenpaket durch Rechenzentren und deren Server – und die dabei entstehende Wärme muss permanent runtergekühlt werden. Das führt vor allem zu einem hohen Stromverbrauch.

Der Energiehunger der Datenzentren

Wie hoch aktuell der Energiebedarf aller Rechenzentren weltweit ist, lässt sich nicht mit Sicherheit sagen. Verschiedene Berechnungen reichen von 200 bis 500 Milliarden Kilowattstunden. Klingt etwas abstrakt, aber die Dimensionen veranschaulicht diese Tatsache: Wäre das Internet ein Land, dann stünde es im Energieranking irgendwo zwischen Platz drei und fünf. Das mechanische Kühlen ist dabei für rund 25 Prozent des gesamten Stromverbrauchs eines Rechenzentrums verantwortlich. Und die Abwärme? Verpufft meistens ungenutzt.

Um die hohen CO2-Emissionen von Rechenzentren herunterzufahren geht es also nicht nur darum, diese mit 100 Prozent erneuerbaren Energien zu betreiben, sondern auch eine effiziente Kühlung und die intelligente Nutzung der Abwärme sind wesentliche Stellschrauben. Gleichzeitig steckt darin auch ein großes Potenzial für die nachhaltige Wärmeversorgung, denn Rechenzentren produzieren das ganze Jahr über Wärme.

Stockholm wird mit Rechenleistung beheizt

Tatsächlich wird an einigen Orten die Abwärme unserer digitalen Welt schon genutzt. Vorreiter ist hier Schweden. Die drei Rechenzentren Pionen, Thule und St: Erics zum Beispiel versorgen bereits tausende von Haushalten in Stockholm mit Wärme. Das skandinavische Land ist mit seinem kühlen Klima ein idealer Standort für Rechenzenten, da dadurch weniger Strom für die Kühlung anfällt. Gleichzeitig setzt Schweden hauptsächlich auf Fernwärme, um Gebäude zu beheizen, und verfügt daher über ein gut ausgebautes Wärmenetz. Das macht es leicht, die Abwärme der Rechenzentren zu nutzen, da diese schon heute problemlos in das Fernwärmenetz eingespeist werden kann.

Cloud&Heat
Rechenzentren können sowohl innerhalb von Gebäuden platziert sein, wie die Server des Startups Cloud&Heat, oder die Wärme wird von einem nahegelegenen Standort transportiert.

In Deutschland gibt es zwei Beispiele, in denen ein Neubaugebiet mit Wärme aus dem Rechenzentrum versorgt wird. Das neue Rechenzentrum von VW Financial Service in Braunschweig leitet rund zwei Prozent der Abwärme in das anliegende Wohngebiet und im neuen Wohnquartier „Westville“ in Frankfurt sollen demnächst ca. 70 Prozent des Wärmebedarfs aus der Abwärme des benachbarten Rechenzentrums abgedeckt werden.

Natürlich ist es auch denkbar, die überschüssige Wärme nicht nur in Nah- und Fernwärmenetze einzuspeisen, sondern auch Gebäude wie Schwimmbäder, Wäschereien oder Gewächshäuser, die permanent Wärme benötigen, damit zu versorgen. Erste Beispiele gibt es bereits. Das nordfriesische Unternehmen Windcloud zum Beispiel nutzt die Abwärme seines Rechenzentrums, um eine Algenfarm auf dem Dach zu beheizen.

Abwärmenutzung als Recyclingprozess

Die Verfahren der Abwärmenutzung sind technisch eigentlich ganz einfach. Entweder wird die Abwärme direkt genutzt oder nach einer Aufwertung. Bei der direkten Nutzung der Wärme wird diese über einen sogenannten Wärmetauscher aus dem Rechenzentrum über Rohre zum Beispiel unmittelbar in ein Gewächshaus transportiert. Um die Wärme in das Heizsystem eines Gebäudes oder Raums zu übertragen kann die Abwärme auch erst über einen Wärmetauscher von einer Kühlflüssigkeit – zum Beispiel Wasser oder Glykol – aufgenommen und anschließend über einen weiteren Wärmetauscher übertragen werden. Soll die Wärme dagegen in ein höher temperiertes Wärmenetz eingespeist werden, dann wird die Temperatur der Abwärme durch eine Wärmepumpe aufgewertet. „Im Großen und Ganzen ist die Abwärmenutzung aus Rechenzentren ein Art Recyclingprozess“, sagt Mira Weber, die sich als Projektmanagerin von Bytes2Heat der Abwärmenutzung aus Rechenzentren widmet.

Windcloud
Die schematische Darstellung von Windcloud zeigt die Energieflüsse – Strom aus erneuerbaren Energiequellen fließt in das Rechenzentrum, die aus den Rechenprozessen entstehende Wärme heizt die Algenfarm.

Die Technologien für die Abwärmenutzung sind also bereits vorhanden – und werden, wie die genannten Beispiele zeigen, auch schon erfolgreich eingesetzt. Trotzdem setzen die wenigsten Rechenzentren in Deutschland auf ein Abwärmerecycling.

Wie kommt Fahrtwind in die Abwärmenutzung?

Dass die Wärme aus Rechenzentren in Deutschland bisher weitgehend ungenutzt bleibt, liegt einerseits an den Unternehmen selbst, denn da die Abwärmenutzung nicht zum Kerngeschäft der Rechenzentren gehört, hat diese auch keine hohe Priorität, so Mira Weber.

Auch infrastrukturelle Herausforderungen erschweren das Abwärmerecycling. Im Vergleich zu den skandinavischen Ländern sind die Nah- und Fernwärmenetze in Deutschland schlechter ausgebaut, die Wärme kann also nicht ohne weiteres in bestehende Netze eingespeist werden. „Zudem wissen die Rechenzentren und Wärmeabnehmer oft nicht, dass sie sich in unmittelbarer Nähe befinden und müssten erstmal zusammenfinden“, berichtet Weber.

Doch gerade mit den steigenden Preisen für fossile Energieträger wächst auch das Interesse an nachhaltiger Wärme und spätestens aus Klimaschutzgründen sollte es auch ein politisches Interesse daran geben, die Wärmequellen aus Rechenzentren auszuschöpfen.

In einer Studie kommen Forschende zu dem Ergebnis, dass ca. 20 bis 60 Prozent des gesamten Energieeinsatzes wiederverwendetet werden können – eine wohlgemerkt sehr große Bandbreite. Windcloud gibt an, mit seiner Algenfarm sogar 100 Prozent der Abwärme wiederverwenden zu können und das Startup Cloud&Heat aus Dresden 90 Prozent.

„Das Borderstep-Institut geht von einer Erhöhung des gesamten Strombedarfs der Rechenzentren auf 18 Milliarden Kilowattstunden (2025) aus, was zu einem geschätzten Abwärmenutzungspotenzial von 3,6 bis 10,8 Milliarden Kilowattstunden führt. Auf Europa bezogen wären das für 2030 voraussichtlich 19,7 bis 59 Milliarden Kilowattstunden“, schätzt Benjamin Ott, der sich als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität Stuttgart auf die Abwärmenutzung in Rechenzentren spezialisiert hat. „Mit der Abwärmenutzung aus Rechenzentren könnte man also theoretisch bis zu 2 Prozent des gesamten deutschen Raumwärmebedarf privater Haushalte decken.“ Das bedeutet, dass eine Großstadt wie Berlin komplett mit Abwärme versorgt werden könnte.

Viele Direktnutzungsmöglichkeiten benötigen keinen Einsatz von Wärmepumpen. Allerdings sind sie für die Einspeisung ins Wärmenetz derzeit meistens noch notwendig, da es nur wenige Niedertemperaturnetze gibt „Es gibt jedoch eine Entwicklung, die uns entgegen kommt. Neue Gebäude werden mit großflächigen Fußbodenheizungen ausgerüstet und alte Gebäude werden nach und nach saniert. Dadurch sinkt zum einen die Temperaturanforderung und der Wärmebedarf, wofür die Abwärme aus Rechenzentren „perfekt“ geeignet ist und in Zukunft mehr Haushalte versorgen könnte“, so Ott.

Eine Abwärmenutzungspflicht bzw. die Bereitstellungspflicht der Abwärme durch die Rechenzentren und ein Einspeisevorrang für klimaneutrale Wärme durch die Wärmenetze wäre daher ein wichtiger politischer Rahmen, um die Abwärme unserer Rechenleistung flächendeckend zu recyclen. „Ergänzt werden muss dies durch eine Transparenzpflicht. Denn Abwärmenutzung ist eine gemeinschaftliche Aufgabe. Dafür müssen Wärmenetzen und Wärmequellen transparent werden und ihre Temperaturen, Einspeisepunkten etc. öffentlich zugänglich machen“, sagt Mira Weber. Dafür gefragt sind vor allem deutschlandweite bzw. EU-weite einheitliche Regelungen.

Mira Weber widmet sich seit April 2021 als Projektmanagerin von Bytes2Heat der Abwärmenutzung aus Rechenzentren. Zuvor hat sie BWL an der Universität Mannheim und Corporate Management & Economics an der Zeppelin Universität studiert. Während ihres Studiums war sie als Vorstandsvorsitzende einer Bildungsinitiative, Leiterin einer Nachhaltigkeitsinstitution und als Nachhaltigkeitsberaterin tätig.

Um die Abwärmenutzung aus Rechenzentren in Deutschland zu beschleunigen und gleichzeitig relevante Stakeholder zusammenzubringen, wurde das Vorhaben „Bytes2Heat“ ins Leben gerufen, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert wird. Zusammen mit den Projektpartnern, die Deutsche Unternehmensinitiative Energieeffizienz e.V. (DENEFF), die Institute IER und IVR der Universität Stuttgart sowie die Innovative WärmeNetze GmbH (IWN), sollen im Rahmen des Projekts über eine Plattform Lösungstools entwickelt werden, die die Abwärme aus Rechenzentren im Wärmesektor nutzbar machen. „Beispielsweise kann man hier über unser Matching-Tool den passenden Abwärmenutzungspartner finden oder mit unserem Wirtschaftlichkeitsrechner die Rentabilität eines potenziellen Abwärmenutzungsprojekt berechnen“, berichtet Weber.

Zusätzlich sollen in den nächsten Jahren konkrete Pilotprojekte entstehen, um eine flächendeckende Umsetzung in Deutschland zu fördern. Es scheint also auch in Deutschland Bewegung in die Sache zu kommen.

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