Abwärmenutzung in Rechenzentren

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Mehr als nur weniger PUE

© Cloud&Heat Technologies GmbH

Von Ariane Rüdiger

Anfang Mai 2019 fand die Umweltministerkonferenz in Hamburg statt. Wohl auch durch den Druck der Schüler, die jeden Freitag protestieren, ging es diesmal ums Eingemachte: Die Konferenz fordert endlich eine Kohlendioxidabgabe mit echter Lenkungswirkung und ein Klimagesetz des Bundes, sie wendet sich neben vielem anderen außerdem dem Thema Green IT zu: „Die Digitalisierung bietet große Chancen, ist aber auch mit einem hohen Energieverbrauch und CO₂-Ausstoß verbunden.“ Zu den zentralen Punkten, die im Protokoll des Treffens festgehalten sind, zählt unter Top 24, Abs. 2., „die Energie- und Ressourceneffizienz von Rechenzentren (insbes. bei Kühlung und Abwärmenutzung)“.

Denn hier geht noch mehr. Zwar nutzt rund die Hälfte der RZ wenigstens teilweise ihre Abwärme, aber selten vollständig. Eine Umfrage des Borderstep-Instituts ergab, das die befragten 66 RZ-Betreiber immerhin schon zur Hälfte die erzeugte Abwärme nutzen – 1 % sprach von einem Nutzungsgrad von mehr als 50 %, 18 % kommen auf 10 bis 50 % und weitere 23 % erreichen einen Abwärmenutzungsgrad von bis 10 %. 24 % wollen bei der nächsten Renovierung des RZ oder einem Neubau an Abwärmenutzung denken.

MW-KommRZ2.2019.ID02-05-Staffan-Reveman.jpg Ein gutes Drittel der von Borderstep befragten 66 RZ-Betreiber verwendeten die Abwärme zu einem gewissen Grad. (Bild: Borderstep – Reveman)

Ein Grund für diese Zahlen: Die Möglichkeiten der Sektorenkopplung werden unvollständig genutzt. Sektorenkopplung meint in diesem Zusammenhang, dass die Branchengrenzen zugunsten eines nachhaltigen Energiesystems überschritten werden – also zum Beispiel die Abwärme der Rechenzentren Wärme für Prozesse bereitstellt oder Wohnhäuser heizt.

Mittlerweile hat auch die EU verstanden, dass hier Potenziale für mehr Nachhaltigkeit schlummern und hat das Projekt ReUseHeat aufgelegt, bei dem es um Abwärmenutzung insgesamt geht. Auch die Abwärmenutzung von Rechenzentren ist gemeint. Die entsprechende Website des EU-Projekts konstatiert: Ein mittelgroßes Rechenzentrum mit 1 MW Leistung gibt im Jahr rund 3700 MWh thermische Energie, vulgo Wärme, in die Atmosphäre ab. Weltweit wären das derzeit rund 48 TWh an Wärme, die irgendwie nutzbar gemacht werden könnten.

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Rechenzentrum als Wohnheizung

Ein Unternehmen, das mit dieser Idee schon vor einigen Jahren vorgeprescht ist, ist Cloud&Heat. Die Idee war hier, dezentrale Rechenzentren in den Kellern von Gebäuden, auch Wohngebäuden, zu errichten, um mit der Abwärme der IT-Einrichtungen das Gebäude zu heizen. In einer Präsentation aus dem Jahr 2016 spricht Cloud&Heat von einem jährlichen Wärmepotenzial von 10 Milliarden kWh, entsprechend dem Wärmebedarf von 2 Millionen Einfamilienhäusern nach dem KfW-40-Standard mit 165 m² Wohnfläche.

Und es könnte noch mehr werden. So konstatiert eine Präsentation von Robert Pawlik, Cloud&Heat, bei einer Tagung des Deutschen Rechenzentrumsverbandes, die Abwärmemenge werde sich schon dadurch erhöhen, dass ein leistungsfähiger Prozessor wie der Intel Xeon E5-2699 ganze 31 W pro Quadratzentimeter verbraucht – viermal mehr als eine Herdplatte.

MW-KommRZ2.2019.ID02-cloludandheat.jpg Dieses System von Cloud&Heat ist für die Nutzung von Wasser als Kühlmedium und die Abwärmenutzung vorbereitet. (Bild: Ariane Rüdiger)

Doch die Idee war wohl ihrer Zeit voraus und verfängt erst jetzt langsam, vor allem in Wohngebäuden. Von dem Konzept, seine Recheneinrichtungen mit von vornherein eingebauten Vorrichtungen für die Wasserkühlung und die Abführung des erhitzten Kühlwassers auszurüsten, hat sich Cloud&Heat trotzdem nicht verabschiedet, nur von der Idee, in jedem Wohnhaus könne ein dezentrales Rechenzentrum stehen.

Für große, kommerziell oder öffentlich genutzte Gebäude ist die Technologie durchaus interessant. Ein Projekt, bei dem die Cloud&Heat-Technologie eingesetzt wird, ist das Eurotheum, ein Bürogebäude im Herzen Frankfurts. Der markante Büroturm, der der Commerzbank gehört, wurde 1999 erbaut (natürlich ohne RZ-Abwärmenutzung), ist 110 m hoch und hat eine Nutzfläche von etwa 21.000 m². Das Gebäude wurde seitdem umgerüstet und erwirtschaftete bezüglich der RZ-Energie bei einem Abwärmenutzungsgrad von nur 50 % eine Einsparung von 613.200 kWh pro Jahr (− 28 %), in Geld umgerechnet rund 788.000 Euro.

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Schwarz auf Weiß
Dieser Beitrag ist zuerst in unserer Magazin­reihe „Rechen­zentren und Infra­struktur“ als Beilage zur iX erschienen. Einen Über­blick mit freien Down­load-Links zu sämt­lichen Einzel­heften bekommen Sie online im Presse­zentrum des MittelstandsWiki.

Doch das Thema RZ und Wohnheizung ist nicht vom Tisch: In Braunschweig ist BS Energy, ein Tochterunternehmen von Veolia, dabei, die Abwärme eines im Bau befindlichen Rechenzentrums zur Heizung von 400 Einfamilienhäusern nutzbar zu machen. Dazu dienen eine Wärmepumpe und ein Niedrigenergie-Wärmenetz.

Auch der Gewinner der Kategorie Publikumspreis beim Deutschen Rechenzentrumspreis 2019, Edge IT, strebt mit seinem Konzept dezentraler Schwarmrechenzentren in der Nähe regenerativer Energieerzeuger gleichzeitig die Nutzung der RZ-Abwärme wo immer möglich an. Cloud&Heat gewann übrigens mit seiner intelligenten Lastverteilung den 1. Preis in der Kategorie Ressourceneffiziente Rechenzentren.

Wie wäre es mit Gemüse?

Doch oft ist eben leider kein passender Verbraucher in der Nähe. Nicht immer hat das eigene RZ heute Büroräume, die man mit der Abwärme heizen könnte, und nicht immer steht ein Gebäude mit Wärmebedarf gleich nebenan. In solchen Fällen fehlt dann meist das nötige Leitungsnetz. Es zu errichten, kostet, und für den Investitionsaufwand fühlen sich ohne entsprechende Kohlendioxidbepreisung weder Rechenzentrumsbetreiber noch Gemeinden oder gar Private zuständig. Mit anderen Worten: Wo nicht bereits Infrastruktur vorhanden ist, wird sie, um die Abwärme des RZ zu nutzen, jedenfalls nur sehr selten errichtet, obwohl das in anderen Ländern, vor allem in Nordeuropa, ganz anders gesehen wird.

Deshalb ist es vielleicht keine schlechte Idee, für die Nutzung der Abwärme ganz neue Ideen zu bemühen, wie dies Windcloud, ein Start-up aus dem hohen Norden, tut. Die Firma residiert in einem grünen Campus auf einem ehemaligen Bundeswehrgelände in der Nähe des schleswig-holsteinischen Enge-Sande nahe Niebüll zwischen Elektroauto-Tüftlern und anderen Start-ups, die sich einer grünen Wirtschaft verschrieben haben. Thomas Reimers, CEO und Mitgründer, kümmert sich heute um die Geschäftsentwicklung. Das heißt für ihn vor allem eines: Sektorenkopplung.

Windcloud-Platten-Formation01.jpg Windcloud baut Rechenzentren als unmittelbare Windenergieabnehmer im deutschen Norden. Hinzu kommen Industrieprojekte (rechts im Bild), die mit der entstehenden Abwärme arbeiten. (Bild: Windcloud 4.0 GmbH)

Hier hat sich Reimers etwas ganz Besonderes ausgedacht, nämlich die Kombination von RZ-Abwärmenutzung und Pflanzenzucht: In unmittelbarer räumlicher Nähe zu seinem Rechenzentrum entstehen Gewächshäuser. Die Dell-EMC-Rechner im Kolokationsrechenzentrum werden luftgekühlt bei erheblich höheren Temperaturen betrieben als üblich, sodass die Abwärme ohne weitere Aufaggregierung mittels Wärmepumpe verwendet werden kann. Nur wenn es draußen zu warm oder zu kalt wird, tritt ein Adsorptionskältegerät in Aktion. Die Wärme heizt Wasser in Tanks in den Gewächshäusern, in denen dann kohlendioxidfressende, essbare und hinsichtlich der enthaltenen Nährstoffe hochwertige Algen wachsen. Werden sie geerntet, erntet man sozusagen das Kohlendioxid, das in den Pflanzen steckt, gleich mit und entzieht es via Aufessen dem Kreislauf wieder.

Reimers hat noch mehr Ideen für das, was in den Glashäusern wachsen könnte: Kräuter und Heilkräuter beispielsweise. Er hat sich zwei Jahre lang autodidaktisch mit Landwirtschaft beschäftigt, um entsprechende Kenntnisse zu erwerben und Ideen zu generieren. Finanziert wird das Unternehmen von einem Nestor der Windenergie, dem Windparkbetreiber Denker & Wulf. Das Unternehmen betreibt Windparks in Norddeutschland, womit sich der Kreis zwischen Erzeugung, Verbrauch und Abwärmenutzung schließt. Ein weiterer Financier ist die ABE Group. Sie ist spezialisiert auf Umspannwerke, Mittelspannungsnetze und Großspeicher. Reimers plant, die Windcloud-Rechenzentren so zu bauen und zu betreiben, dass sie zumindest das gesamte Kohlendioxid, das in ihre Errichtung und ihren Betrieb geflossen ist und ständig fließt, durch Kohlendioxidverbrauch wieder kompensieren.

Das anspruchsvolle ökologische Programm bedeutet nicht, dass die IT vernachlässigt würde. Windcloud bietet neben Kolokation virtuelle und dedizierte Server, ARM-Systeme mit darauf laufenden Open-Stack-Services an. Darauf läuft nicht etwa VMware, sondern der Open-Source-Hypervisor LXD von Canonical.

Weil es sich um einen ehemaligen Bundeswehrstandort handelt, sind die Gebäude ausreichend für eine hohe Tier-Zertifizierung gesichert. Die nötigen Zertifizierungen haben sie schon erworben, die ersten Kunden sind mit ihren Racks eingezogen, und nun wird das RZ Stück für Stück gefüllt. Zudem plant Reimers, die hohen Ansprüche an hochverfügbare Rechenzentrumsstandorte dauerhaft zu erfüllen und ist dabei, weitere Standorte zu erwerben, um dort räumlich ausreichend weit entfernte DR-Rechenzentren (Disaster Recovery) zu errichten.

Fernwärme aus Kohle ersetzen

Diese und andere Formen der Abwärmenutzung sind auch deshalb ökologisch besonders interessant, weil sie sich eignen, um aus Kohle erzeugte Wärmeenergie wirksam zu ersetzen. Nach Daten, die Staffan Reveman, der Gründer des Beratungsunternehmens Reveman Energy Academy, anlässlich einer Tagung des Deutschen Rechenzentrumsverbandes im Herbst 2018 präsentierte, stellten die Netzbetreiber 2017 161 TWh Fernwärme zur Verfügung, von denen drei Viertel aus fossilen Rohstoffen erzeugt wurden.

In Stockholm sind solche Abwärmemodelle schon Realität. So verkauft Ericsson dort RZ-Abwärme und erhält Kälte zurück. Geschäftspartner ist der Fernwärmebetreiber Stockholm Exergi, der so 10.000 Wohnungen heizt. Das Borderstep-Institut hat ein Modell dafür entwickelt, wie sich Rechenzentren an Nahwärmenetze, die mit einem BHKW arbeiten, anbinden lassen.

MW-KommRZ2.2019.ID02-06-Staffan-Reveman.jpg Schematischer Aufbau einer Nahwärmeversorgung mit RZ-Abwärme und ergänzendem Blockheizkraftwerk. (Datei: Borderstep – Reveman)

40 Prozent Förderung verfügbar

Weil die Einsparung von Kohlendioxid immer dringender wird, hat die Bundesregierung inzwischen ein neues Förderprogramm aufgelegt, das unter anderem die energiebezogene Optimierung von Anlagen und Prozessen fördert. Dazu gehört auch die Abwärmenutzung. Fördervolumina von 10 Millionen Euro sind drin, die maximale Förderquote liegt bei 40 % der förderfähigen Investitionskosten und ist auf 500 Euro (bei kleinen und mittleren Unternehmen 700 Euro) pro eingesparter Tonne Kohlendioxid beschränkt. Für RZ-Betreiber könnte es sich lohnen, einen genauen Blick in die Förderungsbedingungen zu werfen. Dann hat man als RZ-Verantwortlicher nicht nur den Kindern, die von der Fridays-for-Future-Demo kommen, etwas Positives zu berichten, sondern spart auch bares Geld – erst recht, wenn Kohlendioxid, wie zu erwarten, demnächst besteuert wird.

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