Abwärmenutzung in Rechenzentren: Green IT mit Algen und künstlicher Intelligenz

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© Windcloud/Storyfischer
Blick in die Algenzucht des Datacenters Windcloud.

Wie lassen sich Digitalisierung und Klimaschutz durch nachhaltige Rechenzentren vereinen? Denkanstöße liefern ein algenzüchtendes Rechenzentrum in Nordfriesland und das Leuchtturmprojekt Künstliche Intelligenz in Frankfurt.

Autor Lena Strauß, 23.02.21

Rechenzentren, auch Datacenter genannt, stellen eine Grundvoraussetzung für die Digitalisierung dar: ohne Rechenzentren kein Internet. Ein kaum vorstellbarer Zustand, denn Surfen im Netz, digitaler Nachrichtenaustausch, aber auch Streaming- und Clouddienste gehören heute zu unserem normalen Alltag. Doch aufgrund ihres immensen Strombedarfs, der durch überwiegend fossile Brennstoffe gedeckt wird, haben Rechenzentren im Bezug auf CO2-Emissionen global betrachtet sogar die Luftfahrtindustrie überholt. Der Flächen- und Energiebedarf dieser Zentren nimmt kontinuierlich zu: Zwischen 2010 und 2020 erhöhte sich ihr Energieverbrauch in Europa um mehr als 50 Prozent. Lediglich ein Teil der benötigten Energie entfällt dabei auf den regulären Betrieb. Ein weiterer Anteil dient dem ständigen Herunterkühlen der Server. Bei diesen Prozessen entsteht Abwärme als „Abfallprodukt“, die jedoch nahezu ungenutzt verpufft.

In Deutschland verfolgt tatsächlich nur ein Prozent der Rechenzentren eine umfangreiche Wärmeauskopplung im Sinne von Green IT. Das liegt einerseits daran, dass von den Abnehmern ein höheres Temperaturniveau gefordert wird, wozu zusätzlich Wärmepumpen nötig sind. Diese verursachen Kosten, die gewöhnlich in keinem Verhältnis zum Nutzen stehen. Andererseits stellt sich die grundsätzliche Frage: Wer sind überhaupt die Abnehmer? RESET berichtete bereits über einige Pioniere auf diesem Gebiet, darunter Startups, die Schwimmbäder und andere Immobilien mit der Serverwärme heizen. Naheliegend ist auch die Einspeisung in Fernwärmenetze. In Schweden ist das schon Realität. In Deutschland jedoch ist dafür bisher kaum Infrastruktur vorhanden.

Algenzucht im Rechenzentrum an der Nordsee

© Windcloud/Storyfischer Das Datacenter von Windcloud; unten Server, oben Algen.

Das nordfriesische Unternehmen Windcloud 4.0 geht daher einen anderen Weg und betreibt ein Rechenzentrum, das mithilfe der entstehenden Abwärme Algen produziert. Wie Christian Kaluza von Windcloud erklärt, „benötigen Algen zum Wachsen ein relativ niedriges Temperatur-Niveau von ca. 35 Grad Celsius. Das ist genau die Temperatur, die wir mit der Abluft des Rechenzentrums erreichen.“ Wärmepumpen sind damit überflüssig. Durch den Gewinn aus der „grünen“ Nachnutzung kann das Startup seine Cloud- und Colocation-Services nicht nur günstiger anbieten als die Konkurrenz, sondern ist auch das erste deutsche Rechenzentrum, das mehr CO2 bindet als es ausstößt. Pro Kilo Alge werden etwa zwei Kilo CO2 aus der Luft durch Photosynthese aufgenommen.

Dazu kommt, dass das Datacenter seine Stromversorgung fast ausschließlich über Windenergie aus der Region abdeckt. „Wir haben uns bewusst für den Standort Nordfriesland an der Westküste Schleswig-Holsteins entschieden […]. Dort wird mit Windenergie so viel Strom erzeugt, dass dieser oft nicht komplett genutzt werden kann, da die Leitungen nach Süddeutschland fehlen. Somit können wir sicher gehen, dass der Strom, den wir aktuell über einen regionalen Grünstromanbieter beziehen, zu 100 Prozent aus erneuerbaren Energien kommt.“ Auch wenn der Standort auf dem GreenTEC Campus in Enge-Sande ungewöhnlich erscheinen mag, in Sachen Kühlung ist er ebenfalls geschickt gewählt. Die Nähe zur Nordsee sorgt stets für kalten Wind – ein klarer Vorteil im Vergleich zum wärmeren Restdeutschland. Zu guter Letzt achtet Windcloud laut Kaluza bei seiner Hardwareauswahl auf Hersteller mit besonders hohen Nachhaltigkeitszielen.

Beim Bau des Rechenzentrums mit Algenfarm im August 2020 setzte Windcloud auf lokale Firmen und vorhandene Gebäudeinfrastruktur, sodass auch keine zusätzlichen Flächen versiegelt wurden. Ein alter Nato-Bunker auf dem Gelände wurde kurzerhand zum Datacenter umfunktioniert. Auf dem Dach platzierte man ein Gewächshaus, das anderswo abgebaut worden war. Dazwischen befindet sich nun ein Abwärmekanal, über den das Gewächshaus mit heißer Abluft versorgt wird. So entstehen ideale Wachstumstemperaturen für Mikroalgen, wie zum Beispiel Spirulina, die hier in einem großen Wasserbecken kommerziell angebaut werden. Sobald sie getrocknet sind, gibt sie das Unternehmen an einen Partner weiter, der daraus Nahrungsergänzungsmittel macht. Futuristisch anmutend sind vor allem die vertikalen Systeme, die zu Forschungszwecken im Gewächshaus hängen. Sie bestehen aus separaten Schläuchen, womit Zusammenhänge zwischen diversen Algenarten und Nährlösungen untersucht werden.

Außerdem wird an der Planung eines „versorgerunabhängigen Arealnetzes“ auf dem GreenTEC Campus gefeilt. „Das bedeutet, dass wir den Strom direkt von Wind- / Solarparks mit eigenen Leitungswegen und Stromspeichern beziehen“, so Kaluza. „Unsere nächste große Zukunftsvision ist, neben dem Bau weiterer Rechenzentren in Enge-Sande den Standort Bramstedtlund zu einem grünen Kreislaufwirtschafts-Gewerbepark zu entwickeln.“ In Bramstedtlund habe man eine weitere ehemalige Militärliegenschaft erworben, wo das Konzept CO2-freier Rechenzentren im industriellen Stil umgesetzt werden solle. Hier möchte das Unternehmen Abwärme noch vielfältiger veredeln und so beispielsweise Aquaponik oder den Anbau von Lebensmitteln integrieren.

Auch wenn Algen als glibberige und unförmige Wesen generell ein schlechtes Image genießen: Eine Stärkung der regionalen Algenzucht macht durchaus Sinn. Der Großteil des vom Menschen verzehrten Phytoplanktons stammt nämlich aus Meeresfarmen in China. Damit sind Transportwege zu hiesigen Verbraucher*innen weit und die Produktionsbedingungen nicht immer transparent. Oft gerät dabei unter anderem die Schwermetallbelastung in den Anbaugewässern in die Kritik. Im asiatischen Raum seit Jahrhunderten beliebt, steigt die Nachfrage nach dem Trendprodukt auch in Deutschland allmählich.

© Windcloud/Storyfischer

Künstliche Intelligenz für den Rechenzentrums-Hotspot Frankfurt

Doch zurück zur Abwärmenutzung: In Frankfurt am Main beschäftigt sich derweil das Vorhaben Data Centre Heat Exchange with AI-Technologies (DC-HEAT) mit der Einspeisung von Abwärme in Nah- und Fernwärmenetze. Gut 40 Prozent aller deutschen Großrechenzentren befinden sich in der Metropole, die zudem bis 2050 klimaneutral werden möchte. Ein genauer Blick auf den repräsentativen Hotspot lohnt sich also. Doch unklar ist, was für Auswirkungen die Abwärme generell auf das Stadtklima hat und wie und wo sich diese in die vorhandenen Wärmenetze integrieren lässt. Daher kommt hier künstliche Intelligenz (KI) zum Einsatz, die bei der Klärung dieser Fragen helfen soll.

Mithilfe von KI soll nicht nur ein taugliches Umsetzungskonzept für die künftig nachhaltige digitale Stadt erarbeitet, sondern auch der laufende Betrieb der Datacenter klimafreundlicher gestaltet werden. Insbesondere kann KI die Verteilung der Rechenlasten optimal steuern, denn Angebot und Nachfrage unterliegen sowohl bei der Energieversorgung aus regenerativen Quellen als auch bei der Wärmebereitstellung dynamischen Prozessen. Tages- und jahreszeitliche Schwankungen sind die Norm, sodass KI bei der Bewältigung dieser Herausforderungen einen wichtigen Beitrag leisten kann. Das DC-HEAT-Projekt, welches vom BMU-Programm „KI-Leuchttürme für Umwelt, Klima, Natur und Ressourcen“ gefördert und unter anderem vom Borderstep Institut für Innovation und Nachhaltigkeit durchgeführt wird, möchte darüber hinaus die Planung des Wärmenetzausbaus verbessern.

Auf dem Weg zur Klimaneutralisierung

Die Nachfrage nach Rechenleistung wird in Zukunft nicht weniger. Obwohl die Effizienz der Rechenzentren zunimmt, steigt gleichzeitig der Bedarf auf Seiten der Nutzer*innen und damit der CO2-Ausstoß. Laut einer Bitkom-Studie ist das CO2-Einsparungspotenzial im Bereich Digitalisierung enorm. Dennoch sollte nicht vergessen werden, dass Green IT mehr ist als grüner Strom, effizienter Betrieb, wirksame Kühlung und ressourcenschonende Hardware. Auch im indirekten Senken des Energieverbrauchs, indem ohnehin entstehende Abwärme weitergenutzt wird, steckt großes Potenzial für den Klimaschutz. Wie in so vielen Bereichen muss dabei allerdings die Politik die entsprechenden Weichen stellen. Die Digitalagenda des BMU und die Möglichkeit, auch klimaschonende Rechenzentren mit dem Blauen Engel, dem Umweltabzeichen des Umweltministeriums, zu  zertifizieren, sind wichtige erste Schritte. Und Windcloud und DC-HEAT bieten zukunftsweisende Inspiration dafür, wie Rechenzentren deutlich nachhaltiger werden können.

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